[논문]고분자전해질연료전지에서 선형주사전압전류측정법(LSV)의 분석방법에 따른 수소투과전류밀도 비교

오소형; 황병찬; 이무석; 이동훈; 박권필

doi:10.9713/kcer.2018.56.2.151

고분자전해질연료전지에서 선형주사전압전류측정법(LSV)의 분석방법에 따른 수소투과전류밀도 비교
Comparison of Hydrogen Crossover Current Density by Analysis Method of Linear Sweep Voltammetry(LSV) in Proton Exchange Membrane Fuel Cells 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.2, 2018년, pp.151 - 155

오소형 (순천대학교 화학공학과) , 황병찬 (순천대학교 화학공학과) , 이무석 (코오롱인더스트리(주) Eco연구소 중앙기술원) , 이동훈 (코오롱인더스트리(주) Eco연구소 중앙기술원) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 고분자막 열화정도는 주로 수소투과전류밀도로 평가한다. 수소투과전류밀도는 선형주사전압전류측정법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)으로 측정하는데 DOE프로토콜과 NEDO프로토콜이 분석방법에 차이가 있다. 본 연구에서는 PEMFC 구동 및 가속 열화 시험 과정에서 두 프로토콜을 적용해 수소투과 전류밀도를 비교하였다. DOE 방법에 의한 LSV 방법에서는 주사속도(scan rate) 변화가 수소투과 전류밀도에 영향을 주지만 NEDO 방법에서는 주사속도가 수소투과전류밀도에 영향을 주지 않았다. 고분자막 가습/건조 15,000사이클 평가과정에서 DOE 방법은 막의 열화를 민감하게 측정하였으나 NEDO방법은 DOE방법에 비해 막의 열화가 덜 민감하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Degree of membrane degradation in Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) is mainly evaluated by the hydrogen crossover current density. The hydrogen crossover current density is measured by linear sweep voltammetry (LSV), which differs from the DOE protocol and the NEDO protocol. In this study, two protocols were compared during PEMFC operation and accelerated stress test. In the LSV method by the DOE method, the scan rate change affects the hydrogen crossover current density, but the NEDO method does not affect the hydrogen crossover current density. In the course of 15,000 cycles of polymer membrane wet/dry cycle, the DOE method was sensitive to membrane degradation, but the NEDO method was less sensitive to membrane degradation than the DOE method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

시작전압과 최종전압이 차이가 있고, 측정온도, 스캔 속도 등 측정 방법과 수소투과 전류밀도 결정하는 방법의 차이가 있다. 본 연구에서는 두 방법을 비교해 전해질 막 내구성 평가에서 어떤 방법이 간단하고 정확하게 내구성을 평가할 수 있는지 검토하고자 하였다.

제안 방법

간단히요약하면셀의온도는 80°C로 고정시키고, anode와 cathode에 모두 질소 800 Nml/min을 공급하고 상대 습도를 2분마다 변화시키는데 가습 시 150%, 건조 시 0%하여 1사이클을 4분으로 하였다. 1,000사이클마다 수소투과 전류밀도를 측정하고 필요에 따라 I-V 와 CV를 측정하였다.
수소투과전류밀도는 Potentiostat (Solatron, SI 1287)을 이용한 LSV방법으로 수소투과 전류를 측정해 비교하였다. LSV는 anode와 cathode에 각각 수소와 질소를 공급하고, 전압을 변화시키면서 전류를 측정하였다. DOE와 NEDO의 LSV분석법이 차이가 많은데 Table 1에 비교하였다.
MEA를 활성화 시키고 일반적인 PEMFC 구동조건(70°C, 100%RH, anode 1.5 stoi. cathode 2.0 stoi.)에서 I-V 성능 곡선을 측정하였다.
PEMFC의 고분자 막 열화정도지표가 되는 수소투과전류밀도를 측정하는 LSV방법에 DOE와 NEDO프로토콜이 차이가 있어 두 방법을 비교 검토하였다.
기계적 내구성을 평가하는 가습/건조 프로토콜을 구동하면서 LSV방법에 의해 수소투과도를 측정하였다. 가습/건조 15,000 사이클을 평가하면서 DOE와 NEDO의 LSV방법을 비교하였다. DOE 방법에 의한 LSV 측정에 따르면 가습/건조 12,000사이클까지 HCCD가 약 2.
가습/건조 사이클을 15,000회(1,000시간) 반복해서 고분자막이 수명이 다 할 때까지 내구성을 평가하였다. 이 과정에서 DOE와 NEDO의 수소투과전류밀도 분석 방법에 의해 각각 막 열화 정도를 평가하였는데 막 수명은 두 방법 모두 15,000시간으로 동일했다.
간단히요약하면셀의온도는 80°C로 고정시키고, anode와 cathode에 모두 질소 800 Nml/min을 공급하고 상대 습도를 2분마다 변화시키는데 가습 시 150%, 건조 시 0%하여 1사이클을 4분으로 하였다.
기계적 내구성을 평가하는 가습/건조 프로토콜을 구동하면서 LSV방법에 의해 수소투과도를 측정하였다. 가습/건조 15,000 사이클을 평가하면서 DOE와 NEDO의 LSV방법을 비교하였다.
고분자 막의 내구성을 평가하기 위해 가속 열화 프로토콜에 의해 짧은 시간에 막의 전기화학적 내구성 평가 방법(OCV Holding), 기계적 내구성 평가 방법(Wet/Dry Cycle)을 진행한다. 막 열화 후 LSV방법에 의해 수소 투과 전류밀도를 측정해 열화 정도를 평가한다. 일반적으로 많이 이용되는 미국 DOE (Department of Energy)나 일본 NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organiation)가속열화프로토콜은 거의 비슷하나, LSV 분석 방법상에 차이가 있다[13,14].
불소계 이오노머를 PTFE 지지체에 함침시킨 17~18 μm 두께의 강화막의 양면에 데칼방법에 의해 Pt/C 전극입자를 코팅해 anode와 cathode Pt 함량이 각각 0.1, 0.4 mg/cm2인 막전극합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 제조하였다.
0 mm 이며 전극면적이 25 cm² 이었다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다. MEA를 활성화 시키고 일반적인 PEMFC 구동조건(70°C, 100%RH, anode 1.
열화되기 전 막의 수소투과 전류 밀도를 DOE와 NEDO방법으로 측정해서 비교 검토하였다. Table 1에 DOE와 NEDO의 LSV 측정 방법을 비교한 것처럼 주사속도(sweep rate, scan rate)가 각각 2.
화학적/전기화학적 열화는 셀 내에서 발생한 라디칼/과산화수소가 고분자막을 공격해 막이 열화되는 것을 말한다[3,10]. 전해질 막이 열화되면 막이 얇아지고 핀홀과 등이 형성되어 수소 투과도가 증가하는데 이 수소 투과도를 측정하여 전해질 막 열화정도를 분석한다. 수소 투과도를 전기화학적으로 측정하는 방법으로 LSV (Linear Sweep Voltammetry)를 주로 사용하고 있다.

대상 데이터

전극면적이 25 cm²인 MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다. 셀은 JARI 표준셀을 이용했는데, 분리판(separator)은 Serpentine type에 유로와 랜드의 폭, 그리고 깊이 모두 1.0 mm 이며 전극면적이 25 cm² 이었다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다.
4 mg/cm²인 막전극합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 제조하였다. 전극면적이 25 cm²인 MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다. 셀은 JARI 표준셀을 이용했는데, 분리판(separator)은 Serpentine type에 유로와 랜드의 폭, 그리고 깊이 모두 1.

이론/모형

고분자 막의 내구성을 평가하기 위해 가속 열화 프로토콜에 의해 짧은 시간에 막의 전기화학적 내구성 평가 방법(OCV Holding), 기계적 내구성 평가 방법(Wet/Dry Cycle)을 진행한다. 막 열화 후 LSV방법에 의해 수소 투과 전류밀도를 측정해 열화 정도를 평가한다.
고분자막의 기계적 내구성을 측정하기 위한 가습/건조 사이클은 NEDO의 프로토콜(Humidity Cycle Test Methode)를 따랐다[14]. 간단히요약하면셀의온도는 80°C로 고정시키고, anode와 cathode에 모두 질소 800 Nml/min을 공급하고 상대 습도를 2분마다 변화시키는데 가습 시 150%, 건조 시 0%하여 1사이클을 4분으로 하였다.
수소투과전류밀도는 Potentiostat (Solatron, SI 1287)을 이용한 LSV방법으로 수소투과 전류를 측정해 비교하였다. LSV는 anode와 cathode에 각각 수소와 질소를 공급하고, 전압을 변화시키면서 전류를 측정하였다.

성능/효과

LSV 측정 시 scan rate 변화가 수소투과 전류 밀도에 미치는 영향을 실험한 결과 DOE 방법은 주사 속도 변화가 수소투과도에 영향을 주었으나 NEDO 방법은 0.5~2.0 mV/sec범위에서 거의 영향을 주지 않았다. NEDO 방법에 의한 단락 회로 저항은 주사 속도가 증가함에 감소하는 경향을 보였다.
0 mV/sec범위에서 거의 영향을 주지 않았다. NEDO 방법에 의한 단락 회로 저항은 주사 속도가 증가함에 감소하는 경향을 보였다.
그러나 NEDO방법은 14,000사이클까지도 전 사이클과 수소투과 전류밀도가 비슷해 열화 진행정도를 알 수 없었다. 즉 DOE 방법은 민감한 방법이지만 NEDO방법은 DOE 방법에 비해 막의 열화 정도가 덜 민감하게 나타나는 단점이 있었다.
이 과정에서 DOE와 NEDO의 수소투과전류밀도 분석 방법에 의해 각각 막 열화 정도를 평가하였는데 막 수명은 두 방법 모두 15,000시간으로 동일했다. 평가과정에서 DOE 방법에 의하면 13,000사이클부터 수소투과 전류밀도가 12,000사이클보다 상승해 열화가 심해지기 시작했음을 보였다. 그러나 NEDO방법은 14,000사이클까지도 전 사이클과 수소투과 전류밀도가 비슷해 열화 진행정도를 알 수 없었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자전해질연료전지의 장점은?	낮은 온도에서 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 높은 에너지 전환 효율을 갖으며, 환경 친화적이기 때문에 다양한 분야에서전력공급원으로각광받고있는고분자전해질연료전지는짧은수명, 높은 가격 때문에 상업화가 지연되고 있다[1,2]. 적용 분야에 따라 5,000시간에서 40,000시간 정도의 수명을 요하는 고분자 전해질 연료전지는[3] 장시간 운전하는 동안 MEA (Membrane Electrode Assembly)를 구성하는 요소들이 열화되어 이 같은 수명 목표를 충족시키지 못하고 있다[4-9].
	고분자전해질연료전지의 상업화가 지연되는 이유는?	낮은 온도에서 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 높은 에너지 전환 효율을 갖으며, 환경 친화적이기 때문에 다양한 분야에서전력공급원으로각광받고있는고분자전해질연료전지는짧은수명, 높은 가격 때문에 상업화가 지연되고 있다[1,2]. 적용 분야에 따라 5,000시간에서 40,000시간 정도의 수명을 요하는 고분자 전해질 연료전지는[3] 장시간 운전하는 동안 MEA (Membrane Electrode Assembly)를 구성하는 요소들이 열화되어 이 같은 수명 목표를 충족시키지 못하고 있다[4-9].
	전해질 막의 화학적/전기화학적 열화를 분석하는 방법은?	화학적/전기화학적 열화는 셀 내에서 발생한 라디칼/과산화수소가 고분자막을 공격해 막이 열화되는 것을 말한다[3,10]. 전해질 막이 열화되면 막이 얇아지고 핀홀과 등이 형성되어 수소 투과도가 증가하는데 이 수소 투과도를 측정하여 전해질막열화정도를분석한다. 수소투과도를전기화학적으로측정하는 방법으로 LSV (Linear Sweep Voltammetry)를 주로 사용하고 있다.

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
Perry, M. L. and Fuller, T. F., "A Historical Perspective of Fuel Cell Technology in the 20th Century," J. ElectroChem. Soc., 149(7), S59-S67(2002).

상세보기
Wilkinson, D. P. and St-Pierre, J., in: W. Vielstich, H. A. Gasteiger, A. Lamm (Eds.). Handbook of Fuel Cell: Fundamentals Technology and Applications, Vol. 3, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, England, 611-612(2003).
Wilson, M. S., Garzon, F. H., Sickafus, K. E. and Gottesfeld, S. "Surface Area Loss of Supported Platinum in Polymer Electrolyte Fuel Cells," J. ElectroChem. Soc., 140, 2872-2877(1993).

상세보기
Knights, S. D., Colbow, K. M., St-Pierre, J. and Wilkinson, D. P., "Aging Mechanism and Lifetime of PEFC and DMFC," J. Power Sources, 127, 127-134(2004).

상세보기
Luo, Z., Li, D., Tang, H., Pan, M. and Ruan, R., "Degradation Behavior of Membrane-electrode-assembly Materials in 10-cell PEMFC Stack," Int. J. Hydrogen Energy, 31, 1838-1854(2006).

상세보기
Pozio, A., Silva R. F., Francesco, M. D. and Giorgi, L., "Nafion Degradation in PEFCs from End Plate Iron Contamination," ElectroChim. Acta, 48, 1543-1548(2003).

상세보기
Xie, J., Wood III, D. L., Wayne, D. N., Zawodinski, T. A., Atanassov, P. and Borup, R. L., "Durability of PEFCs at High Humidity Conditions," J. ElectroChem. Soc., 152, A104-A113(2005).

상세보기
Curtin, D. E., Lousenberg, R. D., Henry, T. J., Tangeman, P. C. and Tisack, M. E., "Advanced Materials of Improved PEMFC Performance and Life," J. Power Sources, 131, 41-48(2004).

상세보기
Collier, A., Wang, H., Yaun, X., Zhang, J. and Wilison, D. P., "Degradation of Polymer Electrolyte Membranes," Int. J. Hydrogen Energy, 31, 1838-1854(2006).

상세보기
Jeong, J. J., Jeong, J. H., Kim, S. H., Ahn, B. K., Ko, J. J. and Park, K. P., "Measurement of Hydrogen Crossover by Gas Chromatograph in PEMFC," Korean Chem. Eng. Res., 52(4), 425-429 (2014).

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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, 487-491(2011).

상세보기
https://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/pdfs/component_durability_profile.pdf, "DOE CELL COMPONENT ACCELERATED STRESS TEST PROToCOLS FOR PEM FUEL CELLS."
Daido University, Ritsumeikian Univ., Tokyo Institute of Technology, Japan Automobile Research Ins., "Cell Evaluation and Analysis ProtoCol Guidline, " NEDO, Development of PEFC Technologies for Commercial Promotion-PEFC Evaluation Project, January 30 (2014).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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