[논문]PEM 수전해에서 정지횟수가 성능 감소에 미치는 영향

추천호; 양종원; 나일채; 박윤진

doi:10.9713/kcer.2023.61.2.202

PEM 수전해에서 정지횟수가 성능 감소에 미치는 영향
Effect of Number of Shutdown on the Decrease of Performance in PEM Water Electrolysis 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.61 no.2, 2023년, pp.202 - 207

추천호 ((주)ETIS) , 양종원 ((주)ETIS) , 나일채 ((주)CNL Energy) , 박윤진 ((주)ETIS)

초록
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태양광과 풍력발전의 잉여전기를 공급받아 수전해를 구동하는 경우 날씨 변동에 따라 구동과 정지를 반복해야한다. 수전해를 구동하다 정지하면 잔류 수소와 산소에 의해 PEM 연료전지와 같은 상태가 되고, 구동 중 형성된 수전해의 높은 전위 때문에 전극과 고분자막이 정지 중에도 열화될 가능성이 높다. 본 연구에서는 PEM 수전해가 구동/정지 반복과정에서 전극과 고분자막의 열화가 얼마나 진행되는지 확인하고자, 144시간 동안에 구동/정지 횟수를 변화시키며 성능 감소를 측정하였다. 전극 촉매 활성면적 변화와 고분자막의 수소투과도와 불소유출속도 등을 분석해 전극과 고분자막의 특성 변화를 측정했다. 전체적으로 정지 횟수가 증가할수록 PEM 수전해 성능이 감소했다. 144시간동안에 5회 정지했을 때 IrO_x 촉매 활성이 30% 이상 감소하였고, 수소투과도는 80% 증가해서 전극과 고분자막이 모두 열화됨을 확인했다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the case of driving water electrolysis by receiving surplus electricity from solar and wind power generation, operation and stopping must be repeated according to weather fluctuations. When the PEMWE(Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis) is driven and stopped, the PEM fuel cell is in the same state as the PEM fuel cell due to the residual hydrogen and oxygen, and the high potential of the water electrolysis formed during operation is highly likely to cause degradation of the electrode and membrane even during stopping. In this study, in order to check how much degradation of the electrode and membrane progresses during the repeated driving/shutdown process of PEM water electrolysis, the performance decrease was measured by changing the number of driving/shutdown for 144 hours. Changes in electrode catalyst active area, hydrogen permeability and fluorine emision rate of membranes were analyzed to measure changes in the properties of electrodes and polymer membranes. Overall, the PEMWE performance decreased as the number of stops increased. When stopped 5 times in 144 hours, the IrOx catalyst activity decreased by more than 30%, and the hydrogen permeability increased by 80%, confirming that both the electrode and the membrane were deteriorated.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Comparison of voltage variation of PEMWE according to number of stops during constant current operation.
그림 Fig. 2. Variation of I-V performance a) I-V of 5 stops cell b) current densities at 2.0 V according to number of stops.
그림 Fig. 3. Cyclic voltammetry of IrO₂ electrode of a) CV of 5 stops cell b) comparison of electrochemical surface area of IrO₂ according to number of stops.
그림 Fig. 4. Linear Sweep Voltammetry of MEA a) LSV of 5 stops cell b) comparison of electrochemical surface area of IrO₂ according to number of stops.
그림 Fig. 5. Comparison of Fluoride Emission Rate of MEA according to number of stops.
그림 Fig. 6. SEM image of cross section of MEA after durability test with a) 5 stops b) 2 stops c) 1 stop.
표 Table 1. Elements in membranes after 144 hours operation with 5 stops

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