[논문]PEMFC에서 막 열화가 전극 열화에 미치는 영향

송진훈; 정재진; 정재현; 김세훈; 안병기; 고재준; 박권필

doi:10.9713/kcer.2013.51.3.325

PEMFC에서 막 열화가 전극 열화에 미치는 영향
Effect of Membrane Degradation on the Electrode Degradation in PEMFC 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.3, 2013년, pp.325 - 329

송진훈 (순천대학교 화학공학과) , 정재진 (순천대학교 화학공학과) , 정재현 (순천대학교 화학공학과) , 김세훈 (현대자동차 환경기술연구소) , 안병기 (현대자동차 환경기술연구소) , 고재준 (현대자동차 환경기술연구소) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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실제 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 운전조건에서는 전극과 전해질 막은 동시에 열화된다. 그런데 고분자전해질 연료전지의 전극 열화와 전해질 열화의 상호 작용에 대해 연구되지 않았다. 본 연구에서는 전해질 막 열화가 전극 열화에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 전해질 막 열화 후 전극을 열화시켜 전해질 막 열화없이 전극을 열화시켰을 때와 비교하였다. 열화전후의 I-V 성능, 수소투과전류, 순환 전압측정(CV), 임피던스, TEM 등을 측정하였다. 전해질 막열화에 의해 수소투과도가 증가하고, 이에 따라 백금 입자 성장속도가 감소함으로써 전극 열화속도가 감소함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The membrane and electrode were degraded coincidentally at real PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cells) operation condition. But the interaction membrane degradation between electrode degradation has not been studied. The effect of membrane degradation on electrode degradation was studied in this work. We compared electrode degradation after membrane degradation and electrode degradation without membrane degradation. I-V performance, hydrogen crossover current, impedance and TEM were measured after and before degradation of MEA. Membrane degradation enhanced hydrogen crossover, and then Pt particle growth rate was reduced. Increase of hydrogen crossover by membrane degradation reduced the electrode degradation rate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

수소투과량은 전해질 막 열화에 의해 증가하게 되므로 전해질막 열화는 전극 열화에 영향을 준다는 것을 유추할 수 있다. 그러나 아직 이와 같은 연구가 진행되지 않아서 본 연구에서 이를 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 전해질 막 열화 가속운전에 의해 수소 투과도를 증가시킨 후 전극 열화 가속 운전을 했을 경우와 전해질 막 열화 없이 전극 열화 가속 운전했을 경우에 전극의 열화정도를비교함으로써, 전해질 막 열화가 전극 열화에 미치는 영향을 확인하는 연구를 했다.

제안 방법

Potentiostat (Solatron, SI 1287)로 전압을 걸어주면 crossover된 수소는 cathode 쪽에서 산화반응하여 전자를 내놓게 되는데 이 전자의 양을측정하면 막을 통과한 수소 양을 알 수 있다. 0.5 V까지 전압을 증가시키면서 수소 crossover 전류 값을 측정하여정상적인 막과열화된막을비교하였다.
MEA 열화실험전후전극활성면적변화를 CV (Cyclo voltammetry) 로 측정하였는데, 0.1~1.2 V 구간에서 30 mV/sec 속도로 전압을 변화시키면서 Potentiostat로전류를측정하였다. 15 cycle 후측정한 값을택했다.
고분자 전해질 막의 열화는 OCV 변화, 수소투과도, 그리고 임피던스 측정을 통해 확인하였다. 수소투과도는 전기화학적 방법을 이용했는데, anode와 cathode에 각각 수소와 질소를 공급하고, 수소 투과에의해 나타나는 전류 값을 측정한 것이다.
고분자막을 열화시키기 위해 OCV, 80 ℃, anode RH 0%, cathode RH 65% 조건에서 144시간 운전하였다. 전극의 열화 가속 운전은 전지 온도 80 ℃, anode RH 100%, cathode RH 100%에서 0.
고분자 전해질 막의 열화는 OCV 변화, 수소투과도, 그리고 임피던스 측정을 통해 확인하였다. 수소투과도는 전기화학적 방법을 이용했는데, anode와 cathode에 각각 수소와 질소를 공급하고, 수소 투과에의해 나타나는 전류 값을 측정한 것이다. Potentiostat (Solatron, SI 1287)로 전압을 걸어주면 crossover된 수소는 cathode 쪽에서 산화반응하여 전자를 내놓게 되는데 이 전자의 양을측정하면 막을 통과한 수소 양을 알 수 있다.
전극의 Pt 입자변화는투과전자현미경(TEM, JEM-2100F (200 kV), JEOL)을 이용해 관찰하였다.
전해질 막 열화 가속 운전은 라디칼과 과산화수소가 발생하는 전기화학적 열화 조건으로 하였고, 전극의 열화 가속 운전은 전극 촉매인 백금 입자가 성장하는 조건으로 하였다. 전해질 막 열화에 의해 수소투과 전류가 1.

대상 데이터

전극면적이 25 cm²인 HMC MEA를 사용하였고, 스테이션(CNL Energy Co, Korea)으로 온도, 유량, 상대습도(RH) 등 cell 운전조건을 맞췄다.

성능/효과

1 nm로 성장했고 막 열화 없이 전극 열화만 있을 때 (Fig. 5-(b))입자 크기는 11.27 nm까지 성장해, 전반적으로 막 열화 과정에 의해 전극 열화 과정 시 백금 입자 성장속도를 저지함을 확인할 수 있다.
막 열화 과정에서 전극 활성면적 감소는 거의 없었지만 전극열화가 잘 될 수 있게 해 줘서 전극열화 가속 운전 1,200cycle에서 입자가 작은 Pt가 없어지고 큰 입자가 많아진 것으로 보인다. 막 열화 없이 전극 열화 했을 때(Fig. 4) 전극활성 면적이 점차적으로 감소해 6,000cycle 후 57.1%까지 감소했다. 막 열화가 있을 때와 없을 때 6,000cycle 후를 비교하면 막 열화가 있을 때 활성 면적 감소가 작다.
1에 막 열화 후 전극열화 6,000cycle 과정에서 I-V 변화를 나타냈다. 막 열화 후 0.6 V에서 전류 값이 8.6% 감소했고 막 열화 다음 전극 열화 과정에서 7.6% 감소해 총 16.2% 감소했다. 막 열화 없이 전극 열화를 같은 조건에서 6,000cycle 운전 후 I-V 변화를 Fig.
막 열화 후 전극 열화 과정에서 수소투과 전류감소폭(≅0.5 mA/cm2 )이전극열화만있을때(≅1.0 mA/cm2 ) 보다 작아 수소투과전류 변화에 의해서도 막 열화가 전극 열화에 미치는 영향을 확인할 수 있다.
7배 증가하였다. 전극 열화 과정에서 백금 입자크기가 성장하는데 전극열화 전에 전해질 막 열화를 시키면 백금 입자 성장 속도가 감소함을 보였다. 전해질 막 열화가 전극열화과정에서 백금입자 성장속도를 감소시키는 것을 CV에 의한 활성 면적 감소로 확인하였다.
전극 열화 과정에서 백금 입자크기가 성장하는데 전극열화 전에 전해질 막 열화를 시키면 백금 입자 성장 속도가 감소함을 보였다. 전해질 막 열화가 전극열화과정에서 백금입자 성장속도를 감소시키는 것을 CV에 의한 활성 면적 감소로 확인하였다. 수소가 Pt 이온을 환원시켜 Pt 입자로 석출시키는 역할을 하는데 막 열화에 의해 수소투과량이 증가하면서 백금 입자 성장 과정에서 수소투과도가 영향을 주는 것으로 보인다.
전극 열화 과정에서 전하전달 저항 증가폭을 막 열화가 있을때와 없을때 비교해보면 막 열화가 없을 때 증가 폭이 크다. 즉 막 열화를 먼저 가해 수소 투과도가 증가한 상태에서 전극 열화를 시키면 백금 입자 성장 속도가 둔화됨을 임피던스분석을 통해서도 확인한 것이다.

후속연구

지금까지 고분자 전해질 연료전지 각 요소들의 열화는 분리돼서 따로 따로 연구되어 왔다. 그러나 전극과 고분자전해질 막은 접해 있고 물질들이 상호 전달되기 때문에 열화에 서로 영향을 줄 수 있으므로 함께 연구되어야 한다. 예를 들면 전극에서 발생한 라디칼은 전해질 막을 열화시키고, 전해질 막 열화에 의해 막을 통과한 수소는 용해된 백금을 석출시켜 백금 입자성장에 영향을 준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 전해질 연료전지의 수명은?	낮은온도에서화학에너지를전기에너지로직접변환시켜높은에너지 전환 효율을 가지며, 환경 친화적이기 때문에 다양한 분야에서 전력 공급원으로 각광받고 있는 고분자 전해질 연료전지는 짧은 수명, 높은 가격 때문에 상업화가 지연되고 있다[1-2]. 적용 분야에 따라 5,000에서 40,000시간 정도의 수명을 요하는 고분자 전해질 연료전지는[3]장시간 운전하는 동안 MEA(Membrane and Electrode Assembly)를 구성하는 요소들이 열화되어 이 같은수명 목표를 충족시키지 못하고 있다[4-9].
	전해질 막의 열화 중 화학적/전기화확적 열화란?	전해질 막의 열화는 화학적/전기화학적 열화, 기계적열화로 크게 분류된다. 화학적/전기화학적 열화는 셀 내에서 발생한 라디칼/ 과산화수소가 고분자막을 공격해 막이 열화되는 것을 말한다. 라디칼과 과산화수소는 전극의 백금 촉매 상에서 수소와 산소가 만나 발생한다.
	고분자 전해질 연료전지가 다양한 분야에서 전력 공급원으로 각광받고 있는 이유는?	낮은온도에서화학에너지를전기에너지로직접변환시켜높은에너지 전환 효율을 가지며, 환경 친화적이기 때문에 다양한 분야에서 전력 공급원으로 각광받고 있는 고분자 전해질 연료전지는 짧은 수명, 높은 가격 때문에 상업화가 지연되고 있다[1-2]. 적용 분야에 따라 5,000에서 40,000시간 정도의 수명을 요하는 고분자 전해질 연료전지는[3]장시간 운전하는 동안 MEA(Membrane and Electrode Assembly)를 구성하는 요소들이 열화되어 이 같은수명 목표를 충족시키지 못하고 있다[4-9].

참고문헌 (16)

Williams, M. C., Strakey, J. P. and Surdoval, W. A., "The U. S. Department of Energy, Office of Fossil Energy Stationary Fuel cell Program, " J. Power Sources, 143(1-2), 191-196(2005).

상세보기
Perry, M. L. and Fuller, T. F., "A Historical Perspective of Fuel Cell Technology in the 20th Century, " J. Electrochem. Soc, 149(7), S59-S67(2002).

상세보기
Wilkinson, D. P. and St-Pierre, J., in: W. Vielstich, H. A. Gasteiger, A. Lamm(Eds.). Handbook of Fuel Cell: Fundamentals Technology and Applications, Vol. 3, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, England, 611-612(2003).
Wilson, M. S., Garzon, F. H., Sickafus, K. E. and Gottesfeld, S. "Surface Area Loss of Supported Platinum in Polymer Electrolyte Fuel Cells," J. Electrochem. Soc. 140, 2872-2877(1993).

상세보기
Knights, S. D., Colbow, K. M., St-Pierre, J. and Wilkinson, D. P., "Aging Mechanism and lifetime of PEFC and DMFC," J. Power Sources, 127, 127-134(2004).

상세보기
Luo, Z., Li, D., Tang, H., Pan, M. and Ruan, R., "Degradation Behavior of Membrane-electrode-assembly Materials in 10-cell PEMFC Stack," Int. J. Hydrog. Energy, 31, 1838-1854(2006).

상세보기
Pozio, A., Silva R. F., Francesco, M. D. and Giorgi, L., "Nafion Degradation in PEFCs from End Plate Iron Contamination," Electrochim. Acta, 48, 1543-1548(2003).

상세보기
Xie, J., Wood III, D. L., Wayne, D. N., Zawodinski, T. A., Atanassov, P. and Borup, R. L., "Durability of PEFCs at High Humidity Conditions," J. Electrochem. Soc., 152, A104-A113(2005).

상세보기
Curtin, D. E., Lousenberg, R. D., Henry, T. J., Tangeman, P. C. and Tisack, M. E., "Advanced Materials of Improved PEMFC Performance and Life," J. Power Sources, 131, 41-48(2004).

상세보기
Watanabe, M., Tsurumi, K., Mizukami,T., Nakamura, T. and Stonehart, P., "Activity and Stability of Ordered and Disordered Co-Pt Alloys for Phosphoric Acid Fuel Cells," J. Electrochem. Soc. 141, 2659-2668(1994).

상세보기
Akita, T., Taniguchi, A., Maekawa, J., Siroma, Z., Tanaka, K., Kohyama, M. and Yasuda, K., "Analytical TEM Study of Pt Particle Deposition in the Proton-exchange Membrane of a Membrane-electrode-assembly," J. Power Sources, 159, 461-467(2006).

상세보기
Zhai, Y., Zhang, H., Xing, D. and Shao, Z., "The stability of Pt/C Catalyst in $H_{3}PO_{4}/PBI$ PEMFC During High Temperature Life Test," J. Power Sources, 164, 126-133(2006).
Curtin, D., Lousenberg, R., Henry, T., Tangeman, P. and Tisack, M., "Advanced Materials for Improved PEMFC Performance and Life," J. Power Sources, 131, 41-48(2004).

상세보기
Guilminot, E., Corcella, A., Charlot, F., Maillard, F. and Chatenet, M., "Detection of Ptz+ ions and Pt Nanoparticles Inside the Membrane of a Used PEMFC," J. Electro. Chem. Soc., 154, B96-B105(2007).

상세보기
Lee, H., Kim, T. H., Sim, W. J., Kim, S. H., Ahn, B. K., Lim, T. W. and Park, K. P., "Pinhole Formation in PEMFC Membrane After Electrochemical Degradation and Wet/Dry Cycling Test " , Korean J. Chem. Eng., 28, 487-491(2011).

상세보기
Song, J., Kim, S., Ahn, B., Ko, J. and Park, K., "Effect of Electrode Degradation on the Membrane Degradation in PEMFC," Korean. Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 51, 68-72(2013).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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