선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 사의 Nafion212의 기본물성 특성을 비교하고, 각각의 분리막의 실제 셀 구동을 바탕으로 하여 전기화학적 성능 등을 평가하였다. 또한 최종적으로 얻어진 결과를 토대로 CA프로세스 에너지 효율향상을 위한 제조사별 분리막 특성의 상관관계를 규명코자 하였다.
- 본 연구에서는 상용 분리막인 Asahi Kasei사의 Aciplex-F와 DuPont®사의 Nafion212의 기본물성 특성을 비교하고, 각각의 분리막의 실제 셀 구동을 바탕으로 하여 전기화학적 성능 등을 평가하였다.
제안 방법
- 5 µm)이 애노드 및 캐소드 전극으로 사용되었다. CA셀 구동 시 부반응에 의해 발생된 수소기체에 의한 분극현상을 최소하 하기 위해 카본클로스(WOS 1002, CE-Tech, Taiwan)를 사용하여 캐소드 전극에서 발생되는 수소의 원활한 배출을 유도하였다.
- CA셀의 전류효율을 측정하기 위해 캐소드 전극의 부반응으로 발생하는 수소가스의 GC (Agilent Technologies, USA) 분석을 통하여 수소가스의 농도를 측정하고, 에너지 효율을 eqn. (5)를 통하여 계산하였다.
- CA프로세스에서 가장 많은 생산단가로 소비되는 요소는 전해반응에 필요한 전기에너지이며, 일반적으로 셀 성능 평가를 위해 전체생산량대비 사용되는 에너지 소모량을 기준으로 정한다. 따라서, 본 실험에서도 동일한 두 가지 상용 막의 셀 성능평가를 실시하였으며, eqn. (4)와 같은 유도식을 이용하여 에너지 소모량을 계산할 수 있다.
- )는 외부와 차단된 기액분리장치를 통과하여 정밀한 실린더를 이용해 측정되며, 염소가스는 산소에 비하여 물에 대해 매우 높은 Solubility를 가지기 때문에 측정오차를 발생시킬 수 있어 부 반응으로 발생된 수소와 화학양론적인 비교를 실시하였다. 모든 측정은 5회씩 실시되었으며, 평균값을 이용하여 에너지 소모량 분석을 실시하였다.
- 반응을 통하여 얻어지는 수소(H2) 및 염소(Cl2)는 외부와 차단된 기액분리장치를 통과하여 정밀한 실린더를 이용해 측정되며, 염소가스는 산소에 비하여 물에 대해 매우 높은 Solubility를 가지기 때문에 측정오차를 발생시킬 수 있어 부 반응으로 발생된 수소와 화학양론적인 비교를 실시하였다. 모든 측정은 5회씩 실시되었으며, 평균값을 이용하여 에너지 소모량 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 제조사별 양이온 전도성 고분자 분리막을 염 처리 과정을 거친 후 실험에 사용하였다. 제조사별 막의 성능평가를 위해 기본물성 및 함수율, 이온 전도도, 에너지소모량, 수소 전류 효율에 대한 실험을 진행하였다.
- 셀 및 솔루션의 온도는 20~90°C까지 10°C 간격으로 측정되었으며 온도 조절은 LabVIEW (National Instruments, USA)로 이루어졌다.
- 셀에 전력 공급은 내부 과전압 발생을 방지하기 위하여 4.0 V 이하로 제한하였으며 24 A (100*0.24 A/cm2)의 전류밀도로 파워서플라이(EDP 3050, PNCYS, Korea)를 이용해 전류량을 공급하였다. 전체적인 CA시스템 구성은 Fig.
- 여기서, WW는 완전히 수화된 상태의 막을 일정한 크기의 샘플(샘플크기 : 1 × 4 cm2 )을 24시간 동안 물에 담근 후 측정하였고, Wd는 완전건조상태의 막으로 90°C의 진공에서 24시간 동안 건조한 후 측정하였다.
- 본 연구에서는 제조사별 양이온 전도성 고분자 분리막을 염 처리 과정을 거친 후 실험에 사용하였다. 제조사별 막의 성능평가를 위해 기본물성 및 함수율, 이온 전도도, 에너지소모량, 수소 전류 효율에 대한 실험을 진행하였다. 이를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 반응에 사용된 전해액으로 캐소드에는 초순수가 사용되었으며, 애노드에는 NaCl (purity = 99.0%, Samchun chemical, Korea) 25 wt%의 염수농도를 유지하여 SIMDOS10 (KNF, France) 다이어프램 펌프를 통해 25mL min-1 유량으로 각각 순환시켰다. 셀 및 솔루션의 온도는 20~90°C까지 10°C 간격으로 측정되었으며 온도 조절은 LabVIEW (National Instruments, USA)로 이루어졌다.
- 본 연구에서 사용된 양이온 전도성 고분자 분리막은 Asahi Kasei사에서 제조된 Aciplex-F (평균두께 = 250 ± 0.2 µm)와 Dupont®사에서 제조된 Nafion212 (평균두께 = 60 ± 0.1 µm) 분리막을 2일 이상 염 처리시킨 후 충분히 수화시켜 이용하였다.
- 본 연구에서는 100 cm2의 활성화 면적을 가진 CA 셀(CNL energy, Korea)을 이용하였으며, 염수 및 초순수의 원활한 공급과 내화학성 및 반응효율 향상을 위하여 표면 처리된 바이폴라 플레이트를 애노드 및 캐소드에 각각 적용하였다.
- 1 µm) 분리막을 2일 이상 염 처리시킨 후 충분히 수화시켜 이용하였다. 분리막의 염 처리를 위해서 사용된 NaCl (sodium chloride, (99.0%))은 삼전화학 (SAMCHUN chemical, Korea)에서 구입하여 사용하였다. 또한, 실험에 앞서 셀 전체의 충분한 유량공급 및 안정화를 위하여 전력공급 이전에 25 mL min-1의 유량으로 10분 이상 애노드 및 캐소드의 전해액을 순환시켰다.
- 전극으로는 Ti 전극(CNL energy, Korea)(평균두께 = 340 ± 0.5 µm)이 애노드 및 캐소드 전극으로 사용되었다.
이론/모형
- 제조사별 상용막을 이용한 Na+이온전도도(Scm-1)는 초순수 조건하에 특정온도범위에서 교류임피던스법(Alternating current impedeance spectroscopy)을 이용하여 막 저항을 측정한 후, 아래 eqn. (3)을 이용하여 계산하여 얻어졌다[17].
성능/효과
- CA 프로세스의 운전조건인 90°C에서 Nafion212 및 Aciplex-F 이온 전도도는 각각 0.05 S/cm와 0.015 S/cm로 나타났으며 이러한 이온전도특성으로 고효율의 셀 성능을 가질 것으로 예측되었다.
- 20 g/cm3 밀도를 가졌다. Nafion212 막과 Aciplex-F 막의 함수율은 각각 22.58, 4.47%으로 Acplex-F가 Nafion212에 비해 매우 낮은 함수율을 가짐을 알 수 있었다.
- 20 g/cm3 밀도를 가졌다. Nafion212 막과 Aciplex-F 막의 함수율은 각각 22.58, 4.47%으로 Acplex-F가 Nafion212에 비해 매우 낮은 함수율을 가짐을 확인할 수 있었다. 이러한 Aciplex-F의 특성은 CA 시스템 구동 시 강산, 강염기 분위기에 자유로우며, 내구성 유지에 따른 장기운전성능을 확보할 수 있다.
- Nafion212 분리막이 Aciplex-F 분리막에 비해 20~80°C 구간에서는 높은 수소 전류효율 경향을 보였으며, 상업적 구동조건인 90°C에서는 각각 92.71%와 90.66%로 유사한 수소전류효율을 가짐을 확인할 수 있었다.
- Nafion212와 Acplex-F 분리막의 양이온전도도를 비교 하였을 때 모든 온도범위(30~80°C)에서 온도가 증가함에 따라 이온전도도가 증가하였으며, 전체적으로 Nafion212가 Aciplex-F 분리막에 비해 우수한 이온전도도 값을 가짐을 확인할 수 있었다.
- Nafion212와 Acplex-F 분리막의 양이온전도도를 비교하였을 때 전체적으로 Nafion212가 Aciplex-F 분리막에 비해 우수한 이온전도도 값을 가졌다. CA 프로세스의 운전조건인 90°C에서 Nafion212 및 Aciplex-F 이온 전도도는 각각 0.
- 또한, CA프로세스의 수소 전류효율 도출을 위해 부 반응을 통해 생산된 혼합가스의 GC분석결과, 90°C에서 Nafion212와 Aciplex-F의 발생되는 혼합가스 중 수소가스가 각각 99.91, 99.93%로 나타났으며 0.09%와 0.07%는 과전압에 의한 산소가 발생됨을 확인하였다.
- 또한, CA프로세스의 수소 전류효율 도출을 위해 부반응을 통해 생산된 혼합가스의 GC결과를 보면 (Fig. 6) 90°C에서 Nafion212와 Aciplex-F의 발생되는 혼합가스 중 수소가스가 각각 99.91, 99.93%로 나타났으며 0.09%와 0.07%는 과전압에 의한 산소가 발생됨을 확인할 수 있었다.
- 실험결과 이온전도도 및 에너지소모량 분석결과와 일치하게 Nafion212 분리막이 Aciplex-F 분리막에 비해 20~80°C 구간에서는 높은 수소 전류효율 경향을 보였으며, 상업적 구동조건인 90°C에서는 각각 92.71%와 90.66%로 유사한 수소전류효율을 가짐을 확인할 수있었다.
- 이를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다. 실험을 통해 Nafion212 및 Aciplex-F 건조상태의 분리막의 밀도는 각각 1.94 g/cm3와 1.23 g/cm3이며, 일정 시간 물에 노출시킨 후 Nafion212 막과 Aciplex-F 막의 밀도는 각각 1.85 g/cm3와 1.20 g/cm3 밀도를 가졌다. Nafion212 막과 Aciplex-F 막의 함수율은 각각 22.
- 실험을 통해 Nafion212 및 Aciplex-F 분리막도 20~80°C 구간에서는 분리막 이온전도성 경향과 동일하게 Nafion212가 Aciplex-F에 비해 매우 낮은 에너지 소모량을 가짐을 확인할 수 있었다.
- 실험을 통해 Nafion212 및 Aciplex-F 분리막의 에너지 소모량 분석은 20~80°C 구간에서 이온전도성 경향과 동일하게 Nafion212가 Aciplex-F에 비해 매우 낮은 에너지 소모량을 가짐을 알 수 있었다.
- Table 1은 본 실험에서 사용된 분리막의 함수율 및 기본 물성 측정결과를 보여준다. 실험을 통해 얻어진 건조상태의 Nafion212 및 Aciplex-F 분리막의 밀도는 각각 1.94 g/cm3와 1.23 g/cm3이며, 일정시간 물에 노출시킨 후 Nafion212 막과 Aciplex-F 막의 밀도는 각각 1.85 g/cm3와 1.20 g/cm3 밀도를 가졌다. Nafion212 막과 Aciplex-F 막의 함수율은 각각 22.
- 하지만, 온도에 따른 활성도의 증가로 70°C 부근에서부터 Aciplex-F 내부저항이 점차 감소되어 90°C 인가전압이 Nafion212의 인가전압과 유사한 전압대를 유지하는 특징을 가짐을 확인할 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.