[논문]PEM 수전해에서 막과 전극의 내구성에 미치는 구동 온도의 영향

유동근; 김성민; 황병찬; 오소형; 박권필

doi:10.9713/kcer.2023.61.1.19

PEM 수전해에서 막과 전극의 내구성에 미치는 구동 온도의 영향
Effect of Operation Temperature on the Durability of Membrane and Electrodes in PEM Water Electrolysis 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.61 no.1, 2023년, pp.19 - 25

유동근 (순천대학교 화학공학과) , 김성민 (순천대학교 화학공학과) , 황병찬 (순천대학교 화학공학과) , 오소형 (순천대학교 화학공학과) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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PEM (Proton Exchange Membrane) 수전해의 성능향상에 대해 많은 연구개발이 진행되었으나, 내구성에 대한 연구는 아직 초기 단계라고 할 수 있다. 본 연구는 성능향상을 위해 PEM 수전해 구동 온도를 상승시켰을 때, 수전해 내구성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 50~80 ℃ 온도 범위에서 일정 전류 조건으로 구동하면서 전압변화, I-V, CV (Cyclic Voltammetry), LSV (Linear Sweep Voltammetry), Impedance, FER (Fluoride Emission Rate) 등을 측정했다. 운전온도가 상승할수록 열화속도가 증가했다. 50~65 ℃에서는 IrO₂ 전극 촉매 열화가 PEM 수전해 셀의 내구성에 주로 영향을 주었다. 80 ℃에서는 고분자 막과 전극 열화가 비슷하게 진행되어 short 저항이 1.0 kΩ·cm² 이하로 감소하면서 shorting 현상에 의해 구동한지 144시간 만에 성능이 초기의 약 1/3로 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although a lot of research and development has been conducted on the performance improvement of PEM (Proton Exchange Membrane) water electrolysis, the research on durability is still in early stage. This study investigated effect of temperature on the water electrolysis durability when driving temperature of the PEM water electrolysis was increased to improve performance. Voltage change, I-V, CV (Cyclic Voltammetry), LSV (Linear Sweep Voltammetry), Impedance, and FER (Fluoride Emission Rate) were measured while driving under a constant current condition in a temperature range of 50~80 ℃. As the operating temperature increased, the degradation rate increased. At 50~65 ℃, the degradation of the IrO2 electrocatalyst mainly affected the durability of the PEM water electrolysis cell. At 80 ℃, the polymer membrane and electrode degradation proceeded similarly, and the short resistance decreased to 1.0 kΩ·cm2 or less, and the performance decreased to about 1/3 of the initial stage after 144 hours of operation due to the shorting phenomenon.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Comparison of I-V performances according to operation temperature.
그림 Fig. 2. Variation of voltage during constant current operation as a function of temperature.
그림 Fig. 3. Change of I-V performance (a)variation of polarization curve at 65℃ (b) decrease (%) of current densities at 2.0 V according to temperature.
그림 Fig. 4. Change of anode performance (a) cyclic voltammetry of IrO₂ electode at 65℃ (b) decrease (%) of electrochemical surface area of IrO₂ according to temperature.
그림 Fig. 5. Change of cathode performance (a) cyclic voltammetry of Pt/C electode at 65℃ (b) decrease (%) of electrochemical surface area of Pt/C according to temperature.
그림 Fig. 6. Change of hydrogen cross over (a) linear sweep voltammetry at 80℃ (b) increase (%) of hydrogen crossover current density according to temperature.
그림 Fig. 7. Comparison of fluoride emission rate as a function of operation temperature.
그림 Fig. 8. Comparison of short resistance as a function of operation temperature.
그림 Fig. 9. SEM EDS of membrane cross section after durability test at 80℃.
표 Table 1. Components in membrane after durability test

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