고분자전해질 연료전지로 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시킬 수 있다. 그러나 1.7V 이상의 높은 전압에서 수전해 반응이 일어나므로 전극과 고분자 전해질 막의 열화가 빠르게 진행된다. 수전해 과정에서 anode의 열화를 방지하기 위해 촉매로 지지체 없는 $IrO_2$를 보통 사용하는데 본 연구에서는 고분자전해질 연료전지용 Pt/C 촉매를 수전해 반응에 그대로 사용했을 때 전극과 막의 열화 현상을 분석하였다. 1.8~2.0 V 전압 범위에서 수전해 반응 후 고분자 전해질 연료전지 구동 조건에서 I-V, CV, 임피던스, LSV를 측정했다. 수전해 전압이 높을수록 전극과 막의 열화 속도가 증가하였다. 2.0 V에서 1분 동안 수전해 반응했을 때 수소 수율은 88%였고, 전극과 고분자 막이 열화되어 0.6 V에서 성능이 49% 감소하였다.
고분자전해질 연료전지로 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시킬 수 있다. 그러나 1.7V 이상의 높은 전압에서 수전해 반응이 일어나므로 전극과 고분자 전해질 막의 열화가 빠르게 진행된다. 수전해 과정에서 anode의 열화를 방지하기 위해 촉매로 지지체 없는 $IrO_2$를 보통 사용하는데 본 연구에서는 고분자전해질 연료전지용 Pt/C 촉매를 수전해 반응에 그대로 사용했을 때 전극과 막의 열화 현상을 분석하였다. 1.8~2.0 V 전압 범위에서 수전해 반응 후 고분자 전해질 연료전지 구동 조건에서 I-V, CV, 임피던스, LSV를 측정했다. 수전해 전압이 높을수록 전극과 막의 열화 속도가 증가하였다. 2.0 V에서 1분 동안 수전해 반응했을 때 수소 수율은 88%였고, 전극과 고분자 막이 열화되어 0.6 V에서 성능이 49% 감소하였다.
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) can generate hydrogen and oxygen from water by electrolysis. But the electrode and polymer electrolyte membrane degrade rapidly during PEM water electrolysis because of high operation voltage over 1.7V. In order to reduce the rate of anode electrode degrad...
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) can generate hydrogen and oxygen from water by electrolysis. But the electrode and polymer electrolyte membrane degrade rapidly during PEM water electrolysis because of high operation voltage over 1.7V. In order to reduce the rate of anode electrode degradation, unsupported $IrO_2$ catalyst was used generally. In this study, Pt/C catalyst for PEMFC was used as a water electrolysis catalyst, and then the degradation of catalyst and membrane were analysed. After water electrolysis reaction in the voltage range from 1.8V to 2.0V, I-V curves, impedance spectra, cyclic voltammograms and linear sweep voltammetry (LSV) were measured at PEMFC operation condition. The degradation rate of electrode and membrane increased as the voltage of water electrolysis increased. The hydrogen yield was 88 % during water electrolysis for 1 min at 2.0V, the performance at 0.6V decreased to 49% due to degradation of membrane and electrode assembly.
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) can generate hydrogen and oxygen from water by electrolysis. But the electrode and polymer electrolyte membrane degrade rapidly during PEM water electrolysis because of high operation voltage over 1.7V. In order to reduce the rate of anode electrode degradation, unsupported $IrO_2$ catalyst was used generally. In this study, Pt/C catalyst for PEMFC was used as a water electrolysis catalyst, and then the degradation of catalyst and membrane were analysed. After water electrolysis reaction in the voltage range from 1.8V to 2.0V, I-V curves, impedance spectra, cyclic voltammograms and linear sweep voltammetry (LSV) were measured at PEMFC operation condition. The degradation rate of electrode and membrane increased as the voltage of water electrolysis increased. The hydrogen yield was 88 % during water electrolysis for 1 min at 2.0V, the performance at 0.6V decreased to 49% due to degradation of membrane and electrode assembly.
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문제 정의
PEMFC의 MEA로 수전해 반응에 의해 수소발생과 MEA 열화에 대해 실험한 결과를 다음과 같이 정리하였다.
본연구에서는 PEMFC MEA를 그대로 사용해 물 전기분해를 했을때 전극과 불소계 고분자 전해질막이 어떻게 열화하는지 확인하여 PEMFC 내구성 및 신뢰성 향상과 일체형재생전지와 PEM 수전해 연구의 기초자료로 사용하고자 한다.
가설 설정
4 mg/cm2 백금이 함유된 PEMFC용 전극의 MEA(3M Co)를 사용하였다. Potentiostat(Solatron, SI 1287)로 일정전압을 유지하면서 발생하는 수소는 메스 실린더를 이용한 수상치환 방법으로 포집하였고, 물의 온도에서 포화되었다고 가정해 수증기압을 제외한 양으로 수소발생량을 산출하였다.
제안 방법
각 전압에서 1분 간 수전해 반응 후 MEA를 그대로 체결한 상태에서 anode에는 수소를 cathode에는 공기를 공급해 MEA를 활성화 하고 PEMFC 구동조건에서 I-V 분극곡선을 측정해 Fig. 4에 나타냈다. 1.
막 저항및 부하전달 저항은임피던스 분석기(Solatron, SI 1287)를 이용해 측정하였다. 임피던스 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(93 ml/min)와 공기(296 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70℃, 상대습도 100%, DC current 1A, AC amplitude 100 mA, Frequency 10,000~0.
전압이 증가할수록 수율이 증가했다. 수소 수율은 전류와 시간을 적분해서 전하량을 구한 다음 이 전하량이 모두 환원반응에 이용되어 발생한 수소량을 100%로 하고 실제 수소발생량을 비교해 구했다. 전압이 증가할수록 전기이중층 전류나 발열 등 비파라데이 전류(Nonfaradaic current)가 감소해 수소 수율이 증가한 것이라 보고, 또 하나는 발생 가스 중에 탄소지지체의 산화에 의한 이산화탄소 발생량이 많아져 수율이 증가할 수 있다고 본다.
전기화학적 방법에 의해 측정한 MEA의 열화 특성은 수소투과도(LSV), 전기화학적 표면적(Electrochemical surface area, ECSA), 임피던스에 의한 막 저항 및 부하전달 저항(Charge transfer resistance, CTR) 측정 등이었다. 수소투과도 측정을 위한 LSV 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소(200 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70℃, 상대습도 100%에서 scan rate 1 mV/sec로 0~0.5 V 범위에서 전압을 변화시키면서 전류를 측정하였다.
수전해 후 MEA의 두께 변화는 주사전자현미경(JEOL-JSM-T330A, KBSI Suncheon center)으로 측정하였다.
수전해 후에 MEA의 열화 현상은 PEMFC 구동조건에서 측정하였다. 전기화학적 방법에 의해 측정한 MEA의 열화 특성은 수소투과도(LSV), 전기화학적 표면적(Electrochemical surface area, ECSA), 임피던스에 의한 막 저항 및 부하전달 저항(Charge transfer resistance, CTR) 측정 등이었다.
열전도도 검출기(TCD)와 분자체 칼럼(molecular sieve column, 5A F-3847, 3.0 m, 3.0 mm ID)을 장착한 기체 크로마토그래프(GC, SHIMADZU GC-4B)로 수소와 CO2를 분석하였다. CO2의 retention time은 9분이었다.
막 저항및 부하전달 저항은임피던스 분석기(Solatron, SI 1287)를 이용해 측정하였다. 임피던스 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(93 ml/min)와 공기(296 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70℃, 상대습도 100%, DC current 1A, AC amplitude 100 mA, Frequency 10,000~0.1 Hz 범위에서 측정하였다.
전극 활성면적 분석을 위한 ECSA는 Potentiostat를 이용해 Cyclo voltammetry(CV)로 측정하였다. CV는 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소(200 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70℃, 상대 습도 100%에서 scan rate 30 mV/sec로 전압을 변화시키면서 전류를 측정하는데, 16 cycle 후 측정한 값을 택했다.
수전해 후에 MEA의 열화 현상은 PEMFC 구동조건에서 측정하였다. 전기화학적 방법에 의해 측정한 MEA의 열화 특성은 수소투과도(LSV), 전기화학적 표면적(Electrochemical surface area, ECSA), 임피던스에 의한 막 저항 및 부하전달 저항(Charge transfer resistance, CTR) 측정 등이었다. 수소투과도 측정을 위한 LSV 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소(200 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70℃, 상대습도 100%에서 scan rate 1 mV/sec로 0~0.
6 µm로 감소하였다. 탄소지지체의 산화에 의한 CO2 발생을 확인하기 위해 산화극 출구의 가스를 GC로 분석하였다(Fig. 9). retention time 9분에 CO2 피크가 잡혀 CO2가 발생했음을 확인하였다.
1.8~2.0 V 전압범위에서 수전해 반응에 의해 수소발생 실험한 결과 전압이 증가할 수록 수소발생속도와 수소수율이 증가하였다. 2.
1분간 1.8, 1.9, 2.0 V에서 수전해 후 I-V, 임피던스, CV, LSV 분석 결과 백금촉매지지체인 탄소의 산화에 의해 전극 활성 면적 감소와 고전압에서 라디칼/과산화수소 발생에 따른 막의 핀홀 발생으로 MEA 성능이 감소하였다. 2.
0 V에서 수전해 후 I-V, 임피던스, CV, LSV 분석 결과 백금촉매지지체인 탄소의 산화에 의해 전극 활성 면적 감소와 고전압에서 라디칼/과산화수소 발생에 따른 막의 핀홀 발생으로 MEA 성능이 감소하였다. 2.0 V에서 1분간 수전해가 진행되면 PEMFC 성능이 0.6 V에서 전류밀도가 49% 감소하였다. 그리고 1.
0 V에서는 처음 성능에 비해 약 1/2로 감소하였다. 50 mA/cm2의 낮은 전류 영역에서 전류 증가에 따른 전압 감소 속도가 수전해 전 MEA 비해 모든 전압에서 높아 전극 열화가 성능감소에 많은 영향을 줬음을 알 수 있다. 그리고 1.
전해질 막의 전기화학적 열화는 높은 전압에서 라디칼과 과산화수소가 발생해 막을 공격해서 핀홀이 발생함으로서 수소투과도가 증가하는 메커니즘이 일반적이다. PEMFC 전해질 막의 전기화학적 열화실험은 OCV(0.95~0.98 V)에서 100시간 이상 진행해 수소투과도 변화를 보는데[16], OCV 전압의 약 2배 정도의 전압에서 1분의 짧은 시간에도 라디칼/과산화수소에 의해 막 열화가 급속히 진행되었음을 확인하였다. 지금까지 PEM 수전해나 일체형재생전지가 높은 전압에서 구동될 때 전극의 열화에 대한 연구만 주로 하고 막 열화에 대한 연구는 거의 없었는데 짧은 시간에 막에도 심각한 열화가 있는 것을 본 연구결과에서 보여서 막열화에 대한 대책이 있어야함을 제시하고 있다.
6 V에서 전류밀도가 49% 감소하였다. 그리고 1.8 V에서 50~200초간 수전해했을 때 수전해 시간이 증가할수록 I-V 성능감소, 임피던스 전하전달 저항 증가, 전극 활성면적 감소, 그리고 수소투과도가 증가하여 전극과 막의 열화가 심해짐을 확인하였다.
본 연구결과 고분자전해질 막을 이용한 수전해 시스템에서는 가스투과도가 낮은 전해질 막을 사용하거나 라디칼/과산화수소에 강한 막을 사용해야 하며 전극은 카본에 담지시킨 전극 촉매를 사용하지 않아야 함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자전해질 연료전지로 발생시킬 수 있는 것은?
고분자전해질 연료전지로 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시킬 수 있다. 그러나 1.
고분자전해질 연료전지의 역할은?
고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 수소와 산소를 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 에너지 변환장치다. PEMFC 전극 촉매로 백금을 사용하는데 물을 전기분해할 때도 백금 전극이 이용되므로 연료전지 장치로 물을 전기분해하여 수소를 발생시킬 수 있다[1].
PEMFC의 기능 양방향 성질을 이용해 연구개발되고 있는예는?
PEMFC는 물 전기 분해에 필요한 촉매와 이온 전도성 막이 모두 있으므로 전지 기능과 전기분해 기능 양방향으로 사용할 수 있다. 이와 같은 성질을 이용해 연구 개발되고 있는 것의 한 예로 인공위성 등에 이용될 일체형재생전지(Unitized Regenerative Battery)가 있다[11]. 인공위성은 주간에는 태양전지로부터 전력을 공급받고 야간에는 위성의 지속적인 임무수행을 위해 내부전기에너지를 필요로 한다.
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