[논문]고분자 전해질 연료전지 구동 조건에 따른 MEA 열화 및 배출수 특성

황병찬; 이세훈; 나일채; 박권필

doi:10.9713/kcer.2017.55.4.478

[국내논문] 고분자 전해질 연료전지 구동 조건에 따른 MEA 열화 및 배출수 특성
Degradation of MEA and Characteristics of Outlet Water According to Operation Condition in PEMFC 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.4, 2017년, pp.478 - 482

황병찬 (순천대학교 화학공학과) , 이세훈 (순천대학교 화학공학과) , 나일채 ((주)CNL Energy) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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고분자 전해질 연료전지의 구동과정 중 습도제어는 매우 중요한 제어 조건이다. 물 관리 측면에서는 저가습 조건이 유리하고, 배출수 활용 및 에너지 효율면에서는 고가습이 유리하다. 본 연구에서는 배출수 활용면에서 저가습과 고가습 구동 과정에서 배출수의 특성에 대해서 연구하였다. 배출수의 불순물은 막과 전극의 열화 과정에서 발생하는 것이므로 저가습과 고가습 조건에서 막전극합체(MEA)열화에 대해서도 연구하였다. 연료극 0% RH의 저가습 조건에서 라디칼 발생속도가 커 고분자 막 열화의 주요 원인임을 보였다. 양쪽 극 모두 고가습(RH 100%) 0.6 V에서 불소 이온 농도 약 20 ppb로 낮은 농도를 나타내서, 수전해 원료수로 사용하기에 충분하였다. 고가습 조건에서 배출한 응축수에서 0.2 ppb 이하의 매우 낮은 농도의 백금이 검출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Humidity control of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) is very important control condition during driving. In terms of water management, low humidification conditions are advantageous, and high humidification is advantageous in terms of drainage utilization and energy efficiency. In this study, the characteristics of outlet water in low humidification and high humidification process were studied in terms of utilization of discharged water. Since the impurities in the effluent are generated during the degradation of the membrane and the electrode assembly(MEA), degradation of the MEA under low humidification and high humidification conditions was also studied. The rate of radical generation was high at low humidification condition of the anode RH 0%, which showed that it was the main cause of the degradation of the polymer membrane. Analysis of effluent showed low concentration of fluoride ion concentration of about 20 ppb at high humidification (both electrodes RH 100%) and 0.6 V, which was enough to be used as the feed water for electrolysis. Very low concentration of platinum below 0.2 ppb was detected in the condensate discharged from the high humidification condition.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

6 V 사이클을 반복하는 것이다. 본 연구에서는 고가습 조건에서 배출수에 백금이 얼마나 존재하는 지 확인하였다.
이상에서 언급한 것처럼 고분자 전해질 연료전지의 구동과정 중 습도는 매우 중요한 제어 조건이므로 본 연구에서는 가습 조건을 변화시키며 배출수의 특성과 막전극합체(Membrane and Electrode Assembly, MEA)의 열화에 대해서 연구하였다.

제안 방법

12시간 MEA를 활성화 시키고 일반적인 PEMFC 구동조건(70ºC,100%RH, anode 1.5 stoi. cathode 2.0 stoi.)에서 구동하였다.
전해질 막이 고온, 고전압에서 열화 속도가 높으므로 90ºC, OCV 조건에서 가습 조건을 변화시키면서 불소 유출 속도(FER)를 측정하였다.
양족 극 출구온도를 0ºC로 제어해 포집한 응축수를 ISE Meter(Ion Selective Electrode Meter, PH-250L, ISTEK, Inc.)를 이용해 배출수의 불소이온 농도 측정은 측정한 후 FER (Fluoride Emission Rate)을 계산했다.
Nafion 막 양면에 데칼 방법에 의해 Pt/C 전극 입자를 코팅해 연료극과 공기극 모두 Pt 함량 0.4 mg/cm²인 MEA를 제조하였다. 전극 면적이 25 cm²인 MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다.
7%인 분리판을 사용했다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다. 12시간 MEA를 활성화 시키고 일반적인 PEMFC 구동조건(70ºC,100%RH, anode 1.
검량곡선 작성을 위해 sodium fluoride를 이용하여 1,000 ppm, 100 ppm 표준용액을 제조하였다. TISAB (Total Ionic Strength Adjuster Buffer)용액을 제조하여 표준용액과 1:1 비율로 섞어서 측정하였다. TISAB용액은 용액의 pH를 맞추고 착물화된 불소를 다시 이온화시킬 뿐만 아니라 이온 세기를 일정하게 하는데 사용하였다.
전극에서의 라디칼 생성은 ESR (Electron Spin Resonance spectrophotometer, JEOL, JES-FA200)로 측정하였다. 배출수에서 백금농도는 유도결합플라스마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP/MS), ELAN DRCe)로 분석하였다.
HO· 라디칼에 의해 발생한 탄소 라디칼을 분석해 간접적으로 산소라디칼 발생량을 비교하였다[6].
위의 각 조건에서 라디칼 발생 정도를 확인하기 위해 고분자 막과 접합된 전극을 분리해서 ESR를 측정했다. HO· 라디칼에 의해 발생한 탄소 라디칼을 분석해 간접적으로 산소라디칼 발생량을 비교하였다[6].
4에 나타냈다. 연료극은 0% RH로 공기극은 100% RH로 가습하면서 연료극에서 배출수를 응축해 FER를 측정한 것이다. 막 두께가 두꺼울수록 FER이 커졌다.
연료극 저가습 조건에서 공기극 저가습 조건보다 고분자 막 열화속도가 높았다. 연료극 저가습 조건에서 라디칼 발생속도가 막 열화에 많은 영향을 줌을 ESR 측정에 의해서 확인했다. 공기극 RH 100% 연료극무가습 조건에서 라디칼발생 속도가 막이 두꺼울수록 커져서 연료극 건조조건이면 라디칼에 의해 막이 열화가 잘 되는 조건이기도 하지만 라디칼 발생량도 증가해 FER이 증가한 것임을 확인하였다.
전극에서의 라디칼 생성은 ESR (Electron Spin Resonance spectrophotometer, JEOL, JES-FA200)로 측정하였다. 배출수에서 백금농도는 유도결합플라스마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP/MS), ELAN DRCe)로 분석하였다.

대상 데이터

4 mg/cm²인 MEA를 제조하였다. 전극 면적이 25 cm²인 MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다. 셀을 구성하는 분리판(separator)의 유로 면적비가 기체의 막 투과도에 영향을 줄 수 있는데, 본 실험에서는 유로 면적이 66.
전극 면적이 25 cm²인 MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다. 셀을 구성하는 분리판(separator)의 유로 면적비가 기체의 막 투과도에 영향을 줄 수 있는데, 본 실험에서는 유로 면적이 66.7%인 분리판을 사용했다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다.
)를 이용해 배출수의 불소이온 농도 측정은 측정한 후 FER (Fluoride Emission Rate)을 계산했다. 검량곡선 작성을 위해 sodium fluoride를 이용하여 1,000 ppm, 100 ppm 표준용액을 제조하였다. TISAB (Total Ionic Strength Adjuster Buffer)용액을 제조하여 표준용액과 1:1 비율로 섞어서 측정하였다.

성능/효과

3에서 볼 수 있다. 연료극의 0% RH일 때 고분자 막 열화속도가 공기극 0% RH일 때보다 높은 것은 라디칼 발생량이 공기극이 저가습일 때보다 많이 발생하는 원인이 있음을 확인했다.
8과 같이 백금을 측정할 수 있었다. 실험 오차 범위이긴 하지만 전압이 낮아질수록 공기극의 백금 함량이 높이지고 0.7 V에서는 연료극에서도 백금 이온이 검출되었다. 전체적으로 백금 농도가 0.
연료극 저가습 조건에서 공기극 저가습 조건보다 고분자 막 열화속도가 높았다. 연료극 저가습 조건에서 라디칼 발생속도가 막 열화에 많은 영향을 줌을 ESR 측정에 의해서 확인했다.
연료극 저가습 조건에서 라디칼 발생속도가 막 열화에 많은 영향을 줌을 ESR 측정에 의해서 확인했다. 공기극 RH 100% 연료극무가습 조건에서 라디칼발생 속도가 막이 두꺼울수록 커져서 연료극 건조조건이면 라디칼에 의해 막이 열화가 잘 되는 조건이기도 하지만 라디칼 발생량도 증가해 FER이 증가한 것임을 확인하였다.
양쪽 극 모두 RH 고가습 조건에서는 OCV에서도 불소 이온 농도가 제일 높은 약 80 ppb를, 0.6 V에서는 약 20 ppb로 낮은 농도를 나타내서 배출수의 순도가 최소한 99.9999%의 고순도 물이므로 수전해 원료수로 사용하기에 충분함을 보였다.
7 V에서는연료극에서도백금이온이검출되었다. 전체적으로 백금 농도가 0.2 ppb이하로 매우 낮아 수전해에는 지장을 주지 않은 수준이었다.

후속연구

Liu 등[7]과 Ohguri등[8]은 연료극에서, Kundu등[10]과 Zhang 등[11]은 공기극 부위에서 막 열화가 잘된다고 하여 구동조건에 따라 열화위치가 다를 수 있음을 제시하였다. 같은 실험 장치를 사용한 전 연구의 저가습 조건 연구에서는 연료극의 FER이 더 커서[12], 전해질 막의 열화 위치에 대한 연구는 앞으로 종합적으로 더 연구해야할 부분이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지에 공급되는 가스의 습도가 높으면 어떠한 현상이 발생하는가?	연료극(anode)에서 수소 산화에 의해 발생한 수소 이온이 막을 통해 이동하는 과정에 물을 동반하므로 막의 이온전도도는 습도에 많은 영향을 받는다[1]. 연료전지에 공급되는 가스의 습도가 높으면 막의 이온전도도가 높아져 연료전지의 성능이 향상되지만, 공기극(cathode)에서 생성된 물이 합해져 분리판의 유로에 물이 넘치는 플러딩(flooding) 현상이 발생한다. 플러딩 현상이 발생하면 전극까지 수소와 산소 공급이 원활히 이뤄지지 않아 성능이 감소한다[2].
	습도는 고분자 전해질 연료전지의 구동과정에 어떠한 영향을 미치는가?	고분자 전해질 연료전지의 구동과정 중 습도제어는 매우 중요한 제어 조건이다. 물 관리 측면에서는 저가습 조건이 유리하고, 배출수 활용 및 에너지 효율면에서는 고가습이 유리하다. 본 연구에서는 배출수 활용면에서 저가습과 고가습 구동 과정에서 배출수의 특성에 대해서 연구하였다.
	고분자 전해질 연료전지의 고분자 막의 역할은 무엇인가?	고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 고분자 막은 수소 이온 전도체, 양쪽 전극의 가스 차단, 양쪽 전극 간 직접 전자이동 저지 등의 역할을 한다. 연료극(anode)에서 수소 산화에 의해 발생한 수소 이온이 막을 통해 이동하는 과정에 물을 동반하므로 막의 이온전도도는 습도에 많은 영향을 받는다[1].

참고문헌 (14)

Williams, M. C., Strakey, J. P. and Surdoval, W. A., "The U. S. Department of Energy, Office of Fossil Energy Stationary Fuel cell Program," J. Power Sources, 143(1-2), 191-196(2005).

상세보기
Laconti, A. B., Hamdan, M. and MacDonald, R.C., in: W. Vielstich, H. A. Gasteiger, A. Lamm (Eds.). Handbook of Fuel Cells: Fundamentals Technology and and Applications, Vol. 3, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, England, 611-612(2003).
Ali Bozorgnezhad, Mehrzad Shams, Homayoon Kanani, Mohammadreza Hasheminasab, Goodarz Ahmadi, "Two-phase flow and droplet behavior in microchannels of PEM fuel cell," Int. J. of Hhydrogen Energy, 41, 19164-19181(2016).

상세보기
Roshandel, R., Arbabi, F., Moghaddam, G. K., "Simulation of an Innovative Flow-field Design Based on a Bio Inspired Pattern for PEM Fuel Cells," Renew Energy, 41, 86-95(2012).

상세보기
Jeong, J. J., Shin, Y. C., Lee, M. S., Lee, D. H., Na , I. C.i, Lee, H. and Park, K. P., "Characteristics of Poly(arylene ether sulfone) Membrane for Proton Exchange Membrane Fuel Cells," Korean Chem. Eng. Res., 51(5), 556-560(2013).

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Endoh, E., Terazono, S., Widjaja, H. and Takimoto, Y., "Degradation Study of MEA for PEMFCs under Low Humidity Conditions," Electrochem, Solid-State Lett., 7, 145-161(2004).

상세보기
Liu, W. and Zuckerbrod, D., "In Situ Detection of Hydrogen Peroxide in PEM Fuel Cells," J. Electrochem. Soc., 152, A1165-A1170(2005).

상세보기
Ohguri, N. and Nosaka, A. Y., "Detection of OH Radicals as the Effect of Pt Particles in the Membrane of Polymer Electrolyte Fuel Cells," J. Power Sources, 195, 4647-4652(2010).

상세보기
Endoh, E., "Development of Hghly Durable PFSA Membrane MEA for PEMFC Under High Temperature and Low Humidity Conditions," ECS Transactions, 16(2) 129-1240(2008).
Kundu, S., Fowler, M. W., Simon, L. C., Abouatallah, R. and Beydokhti, N., "Degradation Analysis and Modeling of Reinforced Catalyst Coated Membranes Operated Under OCV Conditions," J. Power Sources, 183, 619-628(2008).

상세보기
Zhang, L. and Mukerjee, S., "Investigation of Durability Issues of Selected Nonfluorinated Proton Exchange Membranes for Fuel Cell Application Batteries, Fuel Cells, and Energy Conversion," J. Electrochem. Soc., 153, A1062-A1072(2006).

상세보기
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(2), 487-491(2011).

상세보기
Darling, R. M. and Meyers, J. P., "Kinetic Model of Platinum Dissolution in PEMFCs," J. Electrochem. Soc., 150(11), A1523-A1527(2003).

상세보기
Guilminot, E., Corcella, A., Charlot, F., Maillard, F. and Chatenet, M., "Detection of $Pt^{z+}$ Ions and Pt Nanoparticles Inside the Membrane of a Used PEMFC," J. Electrochem. Soc., 154(1), B96-B105(2007).

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