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PEMFC MEA 제조 방법에 따른 성능 및 내구성
Performance and Durability of PEMFC MEAs Fabricated by Various Methods 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.5, 2014년, pp.558 - 563  

정재현 (순천대학교 화학공학과) ,  송명현 (순천대학교 전기제어공학과) ,  정회범 (순천대학교 기계공학과) ,  나일채 ((주)CNL Energy) ,  이정훈 ((주)CNL Energy) ,  이호 ((주)CNL Energy) ,  박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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고분자 전해질 연료전지의 성능과 내구성에 미치는 막 전극 접합체(MEA) 제조방법의 영향에 대해 연구하기 위해 닥터 블레이드 방법, 스프레이 방법, 스크린 프린트 방법 그리고 스크린 프린트+스프레이 방법에 의해 MEA를 제조하였다. 제조된 MEA를 체결한 단위전지의 성능을 측정해 각 MEA의 초기 성능을 비교하였다. 10초간 0.6V 일정전압 유지 후 0.9 V에서 10초간 유지하는 전극 열화 가속 시험(AST)을 각 MEA 적용해 내구성을 시험하였다. 전극 열화 가속 시험 6,000 사이클 전 후 I-V 곡선, 임피던스, 순환 전압측정법(CV), 선형쓸음 전기량측정법(LSV), 투과전자현미경(TEM) 등을 측정하였다. 닥터 블레이드 방법에 의해 제조한 MEA의 초기 성능이 제일 높았고, 스크린 프린트+스프레이 방법에 의해 제조한 MEA가 제일 낮은 열화 속도를 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To study the effects of fabrication methods on the performance and durability of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), membrane-electrode assemblies (MEAs) were fabricated using a Dr blade method, a spray method, screen print method and screen print + spray method. The performance of sin...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 전기화학적 막 열화과정은 전극 촉매 상에서 수소와 산소가 만나 라디칼을 형성하고 이 라디칼이 막을 공격해 막 열화가 발생하는 것이므로 전극촉매가 라디칼을 잘 발생할 수 있게 MEA를 제조하면 막 열화 속도가 높을 수 있다[4]. 그러나 MEA 제조방법에 따른 막 열화 영향은 미미하므로 본 연구에서는 MEA 제법이 전극 열화에 미치는 영향에 대해서 연구하고자 한다. 많은 연구자들이 전극 열화는 백금의 용해, 응집(agglomeration), 이동(migration), 금속착체 및 금속산화물 형성에 의한 촉매 표면적 감소라고 하였다[5-9].
  • 그리고 전착방법은 백금 촉매를전착에 의해 GDL층에 석출(deposition)시켜 전극을 제조하는 방법이고, Dr Blade와 같은 코팅 방법은 Dr Blade, Slot die 장치를 이용해 일정 두께의 전극 층을 필름 상에 연속적으로 코팅해 MEA를 대량 생산할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 스프레이 방법, Dr Blade방법, 스크린 프린팅 방법 등에 의해 MEA를 제조한 다음 초기 성능을 비교하고 또 이들 MEA를 전극열화 가속 모드에서 구동한 후 내구성을 평가하여 MEA 제법이 전극 내구성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MEA 제조방법 중 스프레이, 스퍼터링, 스크린 프린팅, 전착, 코팅 방법은 어떤 방법들인가? MEA 제조방법은 GDL(Gas diffusion layer)이나 고분자 막에 촉매 층을 접합시키는 방법인데 스프레이, 스퍼터링, 스크린 프린팅, 전착(electrodeposition), 코팅(Dr Blade coating, Slot die coating) 등 다양한 방법이 있다. 스프레이 방법은 전극용액을 고분자 막이나 GDL상에 스프레이하면서 건조시켜 Pt/C 입자를 분산 접착시키는 방법이고, 스퍼터링 방법은 금속 촉매를 스퍼터링에 의해 카본 층에 직접 접착시키는 방법이며, 스크린 프린팅방법은 전극 용액을 폴리 이미드와 같은 전사(decal)막상에 스크린 프린팅에 의해 코팅한 후 이온 전도성 막에 전사시키는 방법이다. 그리고 전착방법은 백금 촉매를전착에 의해 GDL층에 석출(deposition)시켜 전극을 제조하는 방법이고, Dr Blade와 같은 코팅 방법은 Dr Blade, Slot die 장치를 이용해 일정 두께의 전극 층을 필름 상에 연속적으로 코팅해 MEA를 대량 생산할 수 있는 방법이다. 본 연구에서는 스프레이 방법, Dr Blade방법, 스크린 프린팅 방법 등에 의해 MEA를 제조한 다음 초기 성능을 비교하고 또 이들 MEA를 전극열화 가속 모드에서 구동한 후 내구성을 평가하여 MEA 제법이 전극 내구성에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
많은 연구자들이 전극 열화는 무엇이라 말하였나? 그러나 MEA 제조방법에 따른 막 열화 영향은 미미하므로 본 연구에서는 MEA 제법이 전극 열화에 미치는 영향에 대해서 연구하고자 한다. 많은 연구자들이 전극 열화는 백금의 용해, 응집(agglomeration), 이동(migration), 금속착체 및 금속산화물 형성에 의한 촉매 표면적 감소라고 하였다[5-9]. 그리고 전극 열화 과정에서 백금 입자 성장을 볼 수 있는데 입자 성장 메커니즘은 1) 작은 백금입자가 이오노머 상에서 용해되어 큰 입자위에 재 석출되어 입자가 성장한다는 Ostwald ripening 메커니즘[10], 2) 카본 지지체 상에서 random cluster-cluster 충돌에 의해 백금 입자의 덩어리(agglomeration)가 발생한다는 메커니즘[11], 3) cluster의 Gibbs 자유 에너지를 최소화하기 위해 백금입자가 성장한다는 메커니즘[12]이다.
입자 성장 메커니즘은 무엇인가? 많은 연구자들이 전극 열화는 백금의 용해, 응집(agglomeration), 이동(migration), 금속착체 및 금속산화물 형성에 의한 촉매 표면적 감소라고 하였다[5-9]. 그리고 전극 열화 과정에서 백금 입자 성장을 볼 수 있는데 입자 성장 메커니즘은 1) 작은 백금입자가 이오노머 상에서 용해되어 큰 입자위에 재 석출되어 입자가 성장한다는 Ostwald ripening 메커니즘[10], 2) 카본 지지체 상에서 random cluster-cluster 충돌에 의해 백금 입자의 덩어리(agglomeration)가 발생한다는 메커니즘[11], 3) cluster의 Gibbs 자유 에너지를 최소화하기 위해 백금입자가 성장한다는 메커니즘[12]이다.
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참고문헌 (13)

  1. Endoh, E., Terazono, S., Widjaja, H. and Takimoto, Y., "Degradation Study of MEA for PEMFCs under Low Humidity Conditions," Electrochem. Solid-state Lett, 7, A209-A211(2004). 

  2. Prasanna, M., Cho, E. A., Lim, T. H. and Oh, I. H., "Effects of MEA Fabrication Method on Durability of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells," Electrochim. Acta, 53, 5434-5441(2008). 

  3. 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). 

  4. Song, J. H., Kim, S. H., Ahn, B. K., Ko, J. J. and Park, K. P., "Effect of Electrode Degradation on the Membrane Degradation in PEMFC," Korean Chem. Eng. Res., 51(1), 68-72(2013). 

  5. Wilson, M. S., Garzon, F. H., Sickafus K. E. and Gottesfeld, S., "Surface Area Loss of Supported Platinum in Polymer Electrolyte Fuel Cells," J. Electochem. Soc, 140, 2872(1993). 

  6. Cheng, X., Chen, L., Peng, C., Chen, Z., Zhang, Y. and Fan, Q., "Catalyst Microstructure Examination of PEMFC Membrane Electrode Assemblies vs. Time," J. Electrochem. Soc. 151, A48(2004). 

  7. Schulze, M., Schneider, A. and Gulzow, E., "Alteration of the Distribution of the Platinum Catalyst in Membrane-electrode Assemblies During PEFC Operation," J. Power Sources, 127, 213(2004). 

  8. Xie, J., Wood, D. L., More, K. L., Atanassov, P. and Borupa, R. L., "Microstructural Changes of Membrane Electrode Assemblies during PEFC Durability Testing at High Humidity Conditions," J. Electrochem. Soc. 152, A1011(2005). 

  9. Cheng, T. T. H., Rogers, E., Young, A. P., Ye, S., Colbow, V. and Wessel, S., "Effects of Crossover Hydrogen on Platinum Dissolution and Agglomeration," J. Power Sources, 195, 7985-7988(2011). 

  10. 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). 

  11. 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 Membraneelectrode-assembly," J. Power Sources, 159, 461-467(2006). 

  12. Zhai, Y., Zhang, H., Xing, D. and Shao, Z., "The Stability of Pt/C Catalyst in $H_3PO_4$ /PBI PEMFC During High Temperature Life Test," J. Power Sources, 164, 126-133(2006). 

  13. Rajalakshmi, N. and Dhathathreyan, K. S., "Catalyst Layer in PEMFC Electrodes - Fabrication, Characterisation and Analysis," Chem. Eng. J., 129, 31-40(2007). 

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