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문제 정의
- 본 연구에서는 수전해의 효율을 저하시키는 것으로 추론되고 있는 수전해 전극 둘레에서 생성된 수소와 산소의 기포의 영향에 대한 연구의 일환으로, 기포 거동에 많은 차이를 보일 것으로 사료되는 원형과 사각형의 전극들이 일정한 간격으로 균일하게 나열되어 있는 유동가시화용 수전해 스택과 수소생산량을 측정하기 위한 수전해 스택들을 제작하여 수소 기포가 수전해 효율에 미치는 영향과 알카리 전해질의 농도가 기포 배출에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 알카리 수전해 스택 내부의 전극 둘레에서 생성된 수소와 산소의 기포가 수전해의 효율에 미치는 영향에 대한 연구의 일환으로, 기포의 거동이 크게 차이가 나는 원형과 사각형의 전극 들이 일정한 간격으로 균일하게 나열되어 있는 유동가시화용 스택과 수소생산용 스택을 제작하여 수전해 효율에 미치는 수소 기포의 영향과 KOH 알카리 전해질의 농도의 영향에 관한 연구를 수행하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 수전해 스택 내부의 전극에서 생성된 기포의 거동을 관찰하기 위하여 Fig. 2의 (a)과 같은 원형 전극과 정사각형 전극이 동일한 면적과 전극 간의 간격의 배열이 되도록 유동가시화용 스택을 제작하여, 전극 둘레에서의 기포의 거동을 비교하기 위한 실험을 수행하였다. 수소 생산용 수전해 스택은 Fig.
- 본 연구에서 전극 둘레에서의 수소 기포의 거동을 관찰하기 위해 유동가시화 스택에 적용한 알카리 전해질에는 농도 30 wt%의 KOH 수용액을 사용 하였다. 또한, 수소 생산량 측정을 위한 실험에 사용된 알카리 전해질로는, 유동가시화 스택에서와 같이 KOH 수용액을 사용하였으며, 20~35 wt%의 전해질 수용액의 농도 구간을 5 wt% 간격으로 제조하여 사용하였으며, 전원 공급 장치로부터 공급한 전압과 전류는 각각 2 V, 0.1 A를 15분 동안 일정하게 공급하여 생산된 수소의 생산량을 측정하였다.
- 수전해 스택에서 생산된 수소와 산소의 기포가 수전해의 효율에 미치는 영향을 연구하기 위하여 전극에서 발생된 기포의 거동에 관한 실험연구18,19)가 보고된 연속적인 구배변화의 기하학적 형상인 원형 전극19)과 함께 기포 C와 기포 D의 조건이 가장 적합한 수평구조의 기하학적 구조인 정사각형 전극 형상을 선택하였으며, 이 전극 형상들을 적용한 유동가시화 스택과 수소 생산용 스택을 제작하여 실험을 수행하였다.
- 전극 둘레에서 기포가 수전해에 미치는 영향을 연구하기 위하여, 원형과 정사각형 적극 배열의 스택을 이용하여, Fig. 5와 같은 실험 장치를 구성하여 수소 생산량을 측정하였다.
- 전극 둘레에서 기포의 거동은 10배율과 640 × 480화소 수의 분해능으로 구성한 실체현미경을 통하여 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 전극 둘레에서의 수소 기포의 거동을 관찰하기 위해 유동가시화 스택에 적용한 알카리 전해질에는 농도 30 wt%의 KOH 수용액을 사용 하였다. 또한, 수소 생산량 측정을 위한 실험에 사용된 알카리 전해질로는, 유동가시화 스택에서와 같이 KOH 수용액을 사용하였으며, 20~35 wt%의 전해질 수용액의 농도 구간을 5 wt% 간격으로 제조하여 사용하였으며, 전원 공급 장치로부터 공급한 전압과 전류는 각각 2 V, 0.
성능/효과
- 1) 가시화 실험을 통해, 생성된 수소 기포의 정사각형 전극의 둘레 길이 점유율이 평균 44.9%로 원형 전극에서 평균 26.3%보다 18.6% 높았으며, 수소 기포의 배출이 전극의 기하학적 형상에 영향을 받는다.
- 2) 전극 둘레에 부착된 기포의 길이 비가 18.6% 많은 정사각형 전극의 스택에서 원형 전극의 스택 보다 3%의 수소 생산 효율과 2% 이상의 수전해 효율이 감소하였으며, 이는 전극 둘레에 부착된 기포가 물질전달을 방해하는 것으로 생각할 수 있다.
- 3) KOH 전해질 수용액의 농도가 30 wt% 이상 높아지면 전해질의 점도 증가가 수소 기포의 유동 및 배출을 지연시켜 수전해 효율을 저하시키며, 특히 35 wt%에서는 수전해 효율이 크게 감소하는 것은 물론 원형 전극보다 정사각형 전극의 효율에 더 큰 영향을 미친다.
- 4) 수소 기포의 배출에 영향을 미치는 전극의 형상과 전해질의 농도가 수소의 생산 효율에 큰 영향을 미친다.
- 6%로 두 스택 모두 최고의 수전해 효율을 나타내었다. 그러나 전해질 농도 30 wt%에서는 모두 약 2%의 수전해 효율 감소를, 전해질 농도 35 wt%에서는 각각 6.5%와 13%의 수전해 효율 감소를 보였으며, 정사각형 전극에서 수전해 효율이 더 큰 폭으로 감소하였다.
- 3%의 수소의 생산율이 증가하였다. 그러나 전해질 수용액의 농도가 25 wt%일 경우의 원형과 사각형 전극의 스택에서 각각 7.92 mL와 7.69mL의 최고 수소 생산량을 나타내고, 전해질 농도가 30 wt%인 경우에는 원형과 사각형 전극의 스택에서 모두 0.23 mL의 수소 생산량의 감소로 각각 2.8%와 2.9%의 수소 생산율 감소를 보였다. 또한, 전해질 농도가 35 wt%인 경우에는 원형과 사각형 전극의 스택에서 각각 0.
- 3% 정도이다. 그러나 정사각형 전극에서는 전극 둘레에 부착된 기포의 전극 둘레길이 점유율이 55%, 36.2%, 47.4%, 41%로 평균 44.9%로 원형의 전극과 비교하여 1.7배 넓게 전극 둘레에 부착되어 기포의 배출이 원활하게 일어나지 않는다는 것을 알 수 있다. 전극의 기하학적 형상에 따른 기포에 작용하는 저항력 Fo의 차이가 전극의 둘레에 부착 되어 성장하는 기포의 성장에 커다란 영향을 준다는 것을 확인할 수 있으며, 부착되어 있는 시간에도 큰 영향을 준다.
- 7% 높다는 것을 알 수 있으며, 전극의 기하학적 형상의 차이로 인한 전극 둘레의 수소 기포들이 수전해 효율에 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 또한 원형과 정사각형 전극의 스택의 수전해 효율은 전해질 농도 25 wt%에서 각각 75.8와 73.6%로 두 스택 모두 최고의 수전해 효율을 나타내었다. 그러나 전해질 농도 30 wt%에서는 모두 약 2%의 수전해 효율 감소를, 전해질 농도 35 wt%에서는 각각 6.
- 9%의 수소 생산율 감소를 보였다. 또한, 전해질 농도가 35 wt%인 경우에는 원형과 사각형 전극의 스택에서 각각 0.68 mL와 1.36 mL의 수소 생산량의 감소로 수소 생산율이 각각 8.6%와 17.6%의 큰 폭으로 떨어졌다. 특히 원형 전극의 스택보다 정사각형 전극의 수소 생산량 감소가 더 크게 나타나, 전극 둘레에 부착된 수소 기포가 수전해에 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
- 이상의 결과들로부터, 전극 주변으로부터 수소 기포의 배출이 원활하지 않은 정사각형 전극의 스택에서 수소 생산 효율이 더 저하된다는 것을 알 수 있다. 또한, 전해질 농도의 증가로 인한 전해질의 점도 증가가 전극 둘레에서 생성되는 수소 기포의 배출을 억제하고, 수소 기포 배출이 원활하지 못한 기하학적 구조의 전극에 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수가 있다. 그러므로 전해질의 농도가 크게 증가할 경우 전해질의 점도가 증가하여 수소 기포의 배출을 지연시키며, 전극 둘레에 부착되어 있는 수소 기포는 전극으로 전해질의 공급과 전극으로부터 수소 배출 등의 물질전달을 방해하므로, 전극에서 물질전달이 줄어들게 되어 수전해 효율이 감소하는 것으로 생각할 수 있다.
- 8과 같다. 모든 KOH 전해질 수용액의 농도에서 정사각형 전극의 스택보다 원형 전극의 스택에서 수소 생산이 많다는 것을 알 수 있으며, 전극의 형상에 따른 수소 기포 형성이 수소 생산량에 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 전해질의 농도가 20 wt%에서 25 wt% 로 증가할 경우에 수소 생산량이 원형과 정사각형의 전극의 스택에서 모두 0.
- 이상의 결과들로부터, 전극 주변으로부터 수소 기포의 배출이 원활하지 않은 정사각형 전극의 스택에서 수소 생산 효율이 더 저하된다는 것을 알 수 있다. 또한, 전해질 농도의 증가로 인한 전해질의 점도 증가가 전극 둘레에서 생성되는 수소 기포의 배출을 억제하고, 수소 기포 배출이 원활하지 못한 기하학적 구조의 전극에 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수가 있다.
- 7배 넓게 전극 둘레에 부착되어 기포의 배출이 원활하게 일어나지 않는다는 것을 알 수 있다. 전극의 기하학적 형상에 따른 기포에 작용하는 저항력 Fo의 차이가 전극의 둘레에 부착 되어 성장하는 기포의 성장에 커다란 영향을 준다는 것을 확인할 수 있으며, 부착되어 있는 시간에도 큰 영향을 준다.
- 9는 정사각형 전극의 스택과 비교한 원형 전극의 스택의 상대 수소 생산 효율을 나타내고 있다. 전해질 농도가 20~30 wt% 구간에서 원형 전극의 스택이 정사각형 전극의 스택보다 3% 정도의 수소 생산 효율이 높았으며, 특히 전해질 농도 35 wt%에서는 14.3%로 크게 증가하였다. 따라서 전해질의 농도 증가로 인한 점도의 영향이 전극의 기하학적 형상에 따라 수소 기포의 거동에 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다.
- 모든 KOH 전해질 수용액의 농도에서 정사각형 전극의 스택보다 원형 전극의 스택에서 수소 생산이 많다는 것을 알 수 있으며, 전극의 형상에 따른 수소 기포 형성이 수소 생산량에 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 전해질의 농도가 20 wt%에서 25 wt% 로 증가할 경우에 수소 생산량이 원형과 정사각형의 전극의 스택에서 모두 0.9 mL 증가하여 각각 12.9%와 13.3%의 수소의 생산율이 증가하였다. 그러나 전해질 수용액의 농도가 25 wt%일 경우의 원형과 사각형 전극의 스택에서 각각 7.
- Table 1은 KOH 전해질 수용액의 농도별 원형과 정사각형 전극들을 갖는 수전해 스택의 수전해 효율을 나타내고 있다. 정사각형 전극과 비교하여 원형 전극 스택의 수전해 효율이 2.1~8.7% 높다는 것을 알 수 있으며, 전극의 기하학적 형상의 차이로 인한 전극 둘레의 수소 기포들이 수전해 효율에 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다. 또한 원형과 정사각형 전극의 스택의 수전해 효율은 전해질 농도 25 wt%에서 각각 75.
- 6%의 큰 폭으로 떨어졌다. 특히 원형 전극의 스택보다 정사각형 전극의 수소 생산량 감소가 더 크게 나타나, 전극 둘레에 부착된 수소 기포가 수전해에 영향을 준다는 것을 알 수 있다.
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