[논문]음이온 교환막 알칼리 수전해를 위한 운전 조건 및 구성요소의 최적화

장명제; 원미소; 이규환; 최승목

doi:10.5695/jkise.2016.49.2.159

음이온 교환막 알칼리 수전해를 위한 운전 조건 및 구성요소의 최적화
Optimization of Operating Parameters and Components for Water Electrolysis Using Anion Exchange Membrane 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.49 no.2, 2016년, pp.159 - 165

장명제 (한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술연구본부) , 원미소 (한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술연구본부) , 이규환 (한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술연구본부) , 최승목 (한국기계연구원 부설 재료연구소 표면기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The hydrogen has been recognized as a clean, nonpolluting and unlimited energy source that can solve fossil fuel depletion and environmental pollution problems at the same time. Water electrolysis has been the most attractive technology in a way to produce hydrogen because it does not emit any pollutants compared to other method such as natural gas steam reforming and coal gasification etc. In order to improve efficiency and durability of the water electrolysis, comprehensive studies for highly active and stable electrocatalysts have been performed. The platinum group metal (PGM; Pt, Ru, Pd, Rh, etc.) electrocatalysts indicated a higher activity and stability compared with other transition metals in harsh condition such as acid solution. It is necessary to develop inexpensive non-noble metal catalysts such as transition metal oxides because the PGM catalysts is expensive materials with insufficient it's reserves. The optimization of operating parameter and the components is also important factor to develop an efficient water electrolysis cell. In this study, we optimized the operating parameter and components such as the type of AEM and density of gas diffusion layer (GDL) and the temperature/concentration of the electrolyte solution for the anion exchange membrane water electrolysis cell (AEMWEC) with the transition metal oxide alloy anode and cathode electrocatalysts. The maximum current density was $345.8mA/cm^2$ with parameter and component optimization.

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문제 정의

음이온 교환막 수전해(anion exchange membrane water electrolysis cell, AEMWEC)는 AWE와 PEM방식의 장점을 동시에 채택함으로써 비 귀금속 촉매의 사용으로 인한 비용 절감 효과와 고분자막을 이용한 고전류밀도와 고압 수소 생산을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 AEMWEC 단위 셀의 구성 요소들인 AEM 종류, 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL) 밀도와 운전조건인 알칼리 수용액 농도, 온도의 조건을 다르게 하여 최상의 구성 요소 조건 및 운전 조건을 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 음이온 교환막을 이용한 알칼리 수전해 단위 셀의 구성 항목의 조건 및 운전 조건에 따른 성능 및 내구성에 대한 영향을 분석하였다. PEEK로 강화된 두께 75 µm인 PK75음이온 교환막이 비교적 우수한 성능 및 효율을 보이며 장기 안정성 테스트에서도 충분한 내구성을 보였으며 최적의 GDL 밀도는 산화와 환원 구역의 GDL 모두 약 1.

제안 방법

AEM은 PK75, GDL의 밀도는 산화와 환원 구역 모두 1.8 g/cm3, 전해액은 0.5 M의 KOH이며 45°C에서 1.6, 1.7, 1.8, 1.85, 1.9 V에서 정전위 측정을 하여 전류밀도와 HPR을 측정하였다.
GDL으로 홀 크기가 450 µm 이고, 두께가 1.8 mm 인 Ni foam을 사용했으며, 환원 전극 영역은 3 mm, 산화 전극 영역은 2.9 mm 높이로 고정하고 Ni foam 개수에 변화를 주어 밀도로 표시하여 실험을 진행하였다.
따라서 본 연구에서는 AWE와 PEM수전해 방식의 이점을 최대한 이용하고 단점을 극복하려는 방법으로 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)을 적용한 셀 구조를 사용했다. 연료전지 분야에서는 AEM을 응용한 연구가 많이 소개되었지만, 수전해 분야에서는 최근에서야 적용되기 시작하였다[2-6].
본 실험에서 GDL은 홀 크기 450 µm인 Ni foam을 높이 약 3 mm로 고정하고 적층하여 제작하였으며, Ni foam의 개수를 변화시켜 밀도 수치로 환산하여 표현하였다.
수소기체 발생량의 측정은 25°C, 1 atm에서 기체발생량 측정 장치(버블미터)를 이용하였다.
수전해용 알칼리 용액은 KOH (95.0%, SAMCHUN chemical)을 deionized (DI) water에 용해하여 농도를 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 4 M로 변화를 주었고, KOH 수용액의 온도를 45, 55, 65, 75, 85°C으로 변화시켜 농도와 온도에 따른 영향을 분석하였다.

대상 데이터

AEMWEC에 공급되는 전해액으로 KOH 수용액을 사용하였다. 셀의 구조 특성상 AEM의 탄산화는 방지 가능하므로 반응성이 우수한 KOH를 전해액으로 사용할 수 있다.
그림 1은 본 연구에 사용된 음이온 교환막 수전해 단위 셀의 개략도이고, AEM을 경계로 산화 및 환원 전극 영역으로 나누어진다. 산화전극은 CuCoO_x 나노입자촉매(ACTA co., 3030)가 담지되어 있는 Ni foam을, 환원 전극은 Ni/(CeO₂-La₂O₃)/C 나노입자촉매(ACTA co., 3040) 가 담지되어 있는 Microporous layer가 코팅된 carbon cloth 를 사용하였다. 3030의 CuCoO_x는 생성되는 산소의 침투에 대한 내성 및 알칼리 전해액에 대한 내성이 우수하여 산화전극에 이용되며, 4030의 Ni은 나노입자로 합성되면 귀금속에 비등한 활성도를 발휘하며 CeO₂와 La₂O₃는 고용체를 형성하여 환원분위기에서 촉매의 특성을 향상시키는 역할을 한다.

이론/모형

AEM은 Fumatech社의 제품들을 사용했고, 강화 여부와 두께에 따라 구분되며, 상세 내용은 표 1에 정리하였다. 단위전지의 전기화학적 특성 분석은 Potentiostat/Galvanostat(Zive co., MP5) 장비를 이용하여 선형주사전위법(linear sweep voltammetry, LSV)에 의해 실행되었다. LSV 전압범위는 1.

성능/효과

이는 생성된 수소만 통과하는 C-GLD에 비해 생성된 산소와 알칼리 수용액이 같이 이동하는 A-GDL의 밀도가 전류밀도에 보다 큰 영향을 주어서 A-GDL의 밀도가 증가할 때 전류밀도가 급감한 것으로 사료된다. A-GDL과 C-GDL 모두 밀도 약 1.8 g/cm³에서 가장 높은 전류밀도 값을 갖는 것으로 보아 적절한 GDL 밀도가 전류밀도 향상에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있다.
PEEK로 강화된 두께 75 µm인 PK75음이온 교환막이 비교적 우수한 성능 및 효율을 보이며 장기 안정성 테스트에서도 충분한 내구성을 보였으며 최적의 GDL 밀도는 산화와 환원 구역의 GDL 모두 약 1.8 g/cm3임을 확인하였다.
다만 PK130은 전반적으로 전류밀도가 다른 AEM에 비해 낮으며 다소 불규칙한 경향을 나타내고 있는데 이는 PK130이 두꺼운 두께를 가지며 다른 AEM에 비해 높은 AR과 낮은 IEC값을 가지기 때문으로 판단된다. 따라서 초기 성능 평가 및 장기 안정성 테스트 결과 PK75가 AEMWEC에 가장 적합한 AEM임을 알 수 있었다.
비교된 막들 중 가장 두꺼운 두께, 높은 AR 및 낮은 IEC 값을 갖는 PK130 막의 경우, 가장 낮은 전류밀도를 보여준다. 막의 강화 여부에 따른 각각을 비교해보면 막의 두께가 두꺼워지고 AR 값이 증가하고 IEC 값이 감소 할수록 성능이 감소하는 것으로 보아 셀의 성능에 두께, AR, IEC 값 및 강화 여부가 주요한 변수로 작용 함을 알 수 있다.
이에 따라, 알칼리 수용액에 대한 부식성에 강하고 음이온(OH^-) 교환 성능이 우수하며 다양한 실험조건에 적합한 AEM을 사용하는 것이 매우 중요하다. 본 실험에 사용한 AEM의 안정한 pH 범위는 1에서 14로 알칼리 분위기에 적합하며, 강화재인 PE와 PEEK는 수전해용 전해액인 KOH에 내식성이 강한 고분자성분이다. 그림 2는 셀이 활성화된 후에 AEM 종류 변화를 전압에 따른 전류밀도 변화로 나타낸 그림이다.
그림 2는 셀이 활성화된 후에 AEM 종류 변화를 전압에 따른 전류밀도 변화로 나타낸 그림이다. 성능 활성화가 완료된 이후 초기 성능을 비교해 보면 1.85 V에서 N30의 전류밀도는 308.9 mA/cm²으로 가장 높은 값을 가지며, PE30, PK75, N50 그리고 PK130순으로 전류밀도가 각각 272.6, 266.8, 251.9 그리고 208.2 mA/cm²으로 감소하고 있다. AEM의 두께, 면저항(Area Resistance, AR) 및 이온 교환 용량(Ion exchange capacity, IEC) 그리고 강화 여부 등이 복합적으로 작용하여 성능 및 내구성에 영향을 주는 것으로 판단된다.
5 M 전해액에서 가장 높은 활성을 보여주었다. 셀의 구성요소 및 운전 조건 최적화를 통해서 1.85 V에서 수소발생량은 약 837 mL/h이었고, 수소발생효율은 약 80% 였다.
전해액 온도가 높을수록 최대 전류밀도도 비례하여 증가하며, 셀 전압 1.85 V, 온도 45°C에서 전류밀도가 약 288.2 mA/cm2인데 반해 85°C에서는 전류밀도가 약 571.1 mA/cm2로 2배 가까이 전류밀도가 증가하는 것을 알 수 있고, 전류밀도가 100 mA/cm2를 기준으로 온도가 45, 55, 65, 75, 85°C으로 증가 할 때, 과전압은 각각 0.41, 0.38, 0.37, 0.36, 0.33 V로 감소하는 것으로 보아, 수용액의 온도 상승은 전류밀도의 증가뿐만 아니라 과전압도 감소시키는 역할을 하는 것을 확인할 수 있다.
8 g/cm³임을 확인하였다. 전해액 온도가 증가할수록 단위셀의 전류밀도는 비례하여 증가하였고 과전압은 감소하였지만, 전해액의 높은 온도는 장기적인 수전해의 운전 면에서 볼 때 안정성이 크게 떨어뜨리며, 0.5 M 전해액에서 가장 높은 활성을 보여주었다. 셀의 구성요소 및 운전 조건 최적화를 통해서 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수전해 기술은 어떻게 구분될 수 있는가?	수전해 기술은 고분자 전해질(polymer electrolyte membrane, PEM) 수전해, 알칼리 수전해(alkaline water electrolysis, AWE), 고온 수증기(high temperature steam) 수전해로 구분된다. 이 중 알칼리 수전해는 전극, 전해액, 격막으로 구성되며, 아래의 반응식에서 보는 바와 같이 환원구역에서는 외부전원에서 공급된 전자와 H2O가 반응하여 수소기체와 OH가 생성되고 이 OH는 격막을 통해 산화구역으로 이동하여 H2O와 산소기체를 생성한다.
	알칼리 수전해의 산화구역 및 과전압 환경에서의 한계점은 무엇인가?	알칼리 수전해에서 요구되는 조건으로는 알칼리 수용액에 대한 내식성이 강하며 산소 또는 수소 발생을 위한 과전압을 낮추기 위한 전극 물질을 필요로 한다. 알칼리 수전해는 비 백금계 촉매가 사용 가능하여 비교적 저렴한 전극물질이 사용할 수 있는 장점이 있지만 알칼리 용액의 반응성으로 인한 부식, 전해액의 보충 그리고 간헐적인 동작에 적합하지 않다. 또한, 산소가 발생하는 산화구역에서는 전극의 산화를 방지해야 하며, 높은 과전압에 의한 효율 저하 문제를 해결해야 한다. 반면에 PEM 방식은 간헐적인 사용이 가능하며 높은 에너지 밀도를 가진다.
	수전해가 가지는 장점은 무엇인가?	현재는 화석연료를 이용하여 대량의 수소를 생산하기 때문에 엄밀히 말해 수소를 신재생에너지라고 할 수 없다. 반면 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해는 지구온난화의 원인인 CO2의 발생이 없으며 원료인 물이 무한하다는 장점이 있다. 또한, 다른 신재생에너지원과 조화되었을 때 가장 실용적이고 발전 가능성이 크다고 할 수 있다.

참고문헌 (14)

G. W. Crabtree, M. S. Dresselhaus, M. V. Buchanan, The hydrogen economy, Phys Today., 57 (2004) 39-44.

상세보기
A. Filpi, M. Boccia, H. Gasteiger, Pt-free cathode catalyst performance in $H_2/O_2$ anion-exchange membrane fuel cells (AMFCs), ECS Transactions., 16 (2008) 1835-1845.

상세보기
M. Faraj, E. Elia, M. Boccia, A. Filpi, A. Pucci, F. Ciardelli, New anion conducting membranes based on functionalized styrene-butadiene-styrene triblock copolymer for fuel cells applications, Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry., 49 (2011) 3437-3447.

상세보기
M. Piana, M. Boccia, A. Filpi, E. Flammia, H. A. Miller, M. Orsini, F. Salusti, S. Santiccioli, F. Ciardelli, A. Pucci, $H_2$ /air alkaline membrane fuel cell performance and durability, using novel ionomer and non-platinum group metal cathode catalyst, J Power Sources., 195 (2010) 5875-5881.

상세보기
Y. Leng, G. Chen, A. J. Mendoza, T. B. Tighe, M. A. Hickner, C. Wang, Solid-state water electrolysis with an alkaline membrane, J Am Chem Soc., 134 (2012) 9054-9057.

상세보기
C. C. Pavel, F. Cecconi, C. Emiliani, S. Santiccioli, A. Scaffidi, S. Catanorchi, M. Comotti, Highly Efficient Platinum Group Metal Free Based Membrane-Electrode Assembly for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis, Angewandte Chemie. 126 (2014) 1402-1405.

상세보기
Thomas S, Visakh P. Handbook of Engineering and Speciality Thermoplastics: Volume 3: Polyethers and Polyesters, First Ed, Wiley-Scrivener (2011) 55.
S. Marini, P. Salvi, P. Nelli, R. Pesenti, M. Villa, M. Berrettoni, G. Zangari, Y. Kiros, Advanced alkaline water electrolysis, Electrochim Acta., 82 (2012) 384-391.

상세보기
S. Chempath, J. M. Boncella, L. R. Pratt, N. Henson, B. S. Pivovar, Density functional theory study of degradation of tetraalkylammonium hydroxides, The Journal of Physical Chemistry C., 114 (2010) 11977-11983.

상세보기
K. S. Moon, D. W. Park, The characteristics of hydrogen production according to electrode materials in alkaline water electrolysis, Journal of Energy Engineering., 24 (2015) 34-39.
H. S. Choi, D. S. Yim, C. H. Rhyu, J. C Kim, G. J. Hwang, Study on the Electrode Characteristics for the Alkaline Water Electrolysis, Trans. of the Korean Hydrogen & New Energy Society., 23 (2012) 117-124.

원문보기 상세보기
A. Appleby, G. Crepy, J. Jacquelin, High efficiency water electrolysis in alkaline solution, Int J Hydrogen Energy., 3 (1978) 21-37.

상세보기
S. Adhikari, J. Ai, K. R. Hebert, K. Ho, C. Wang, Hydrogen in aluminum during alkaline corrosion, Electrochim Acta., 55 (2010) 5326-5331.

상세보기
M. Pourbaix, Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, First Ed, Pergamon Press, Oxford (1966), 312.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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