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문제 정의
- 본 연구에서는 촉매층내 최적화된 Nafion binder의 함량에 대해 anode와 cathode의 이온당 량을 전극마다 각기 다르게 하여 MEA를 제조하였다. 그 결과를 토대로 anode와 cathode에 이온 당량을 각기 다르게 하여 각각의 전극마다 이 온당량이 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다. 단위전지 성능에 미치는 영향을 고찰하기 위해 전기화학적 방법을 사용하여 전극의 특성을 분 석하였다.
제안 방법
- 반면에 전극내에 동일한 Nafion binder 함침량에 대하여 이온당량은 각각 다르게 하였다. Anode와 cathode 의 Nafion binder 함침량은 촉매(Pt/C)의 무게비 #(33%, Nafion of Pt/C weight)이였으며, 이온당 량은 EW 900, 1000, 1100으로 비교하였다.
- Anode와 cathode의 두 전극내 함짐하는 Nafion binder의 이온당량을 다르게 하여 단위전 지의 성능을 비교하였다. Fig.
- Fig. 1에서처럼 anode와 cathode의 두 전극내에 이온당량만 변화를 주었을 경우 EW900의 전류 전압곡선(I-V Curve)이 EW1000과 EW1100보다 상대적으로 향상되어 Fig. 3과 같이 촉매층내 이온당 량을 EW900으로 고정한 후 Nation binder의 함침 량만 변화시켜 EW900에 관한 최적의 Nation binder 함침량을 알아보았다. Nafion binder의 함침량은 촉매무게비의 27%, 40%때가 33%일때보다 단위전지 성능이 감소하는 것을 볼 수 있다.
- 그 결과를 토대로 anode와 cathode에 이온 당량을 각기 다르게 하여 각각의 전극마다 이 온당량이 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다. 단위전지 성능에 미치는 영향을 고찰하기 위해 전기화학적 방법을 사용하여 전극의 특성을 분 석하였다.
- Nafion binder 의 함침량 33%를 기준으로 할 때 과다하게 담지한 40%의 경우 촉매의 이용률을 떨어뜨려 전자의 이 동을 방해할 뿐만 아니라 전극의 기공률 또한 감 소시키는 결과를 초래하였다. 또한 Nafion binder 의 함침량이 33%보다 적은 경우에도 삼상계면의 형성에 어려움을 주어 단위전지 성능저하를 유발 시켰다.9,10)
- 본 연구에서는 촉매층내 최적화된 Nafion binder의 함량에 대해 anode와 cathode의 이온당 량을 전극마다 각기 다르게 하여 MEA를 제조하였다. 그 결과를 토대로 anode와 cathode에 이온 당량을 각기 다르게 하여 각각의 전극마다 이 온당량이 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다.
- 전지 운전 조건은 가습된 공기와 수소를 공급 하였고, 작동온도는 80℃, anode 가습기는 80℃, cathode가습기의 온도는 67℃로 고정하여 실험을 하였다. 전극의 성능 측정을 위하여 전류 부하기 (electrode load, Daegi1 electronics, EL500P)를 이용하여 분극곡선(Polarization curve)를 측정 하였고, Sales라는 소프트웨어를 사용한 impedance analyzer(IM6, ZAHNER electric)를 이용하여 ImHz예서 1이러z frequency 범위에서 5mV 진폭의 교류 입력에 대한 전류를 측정하여 MEA의 저항을 측정하였다.
- 전지 운전 조건은 가습된 공기와 수소를 공급 하였고, 작동온도는 80℃, anode 가습기는 80℃, cathode가습기의 온도는 67℃로 고정하여 실험을 하였다. 전극의 성능 측정을 위하여 전류 부하기 (electrode load, Daegi1 electronics, EL500P)를 이용하여 분극곡선(Polarization curve)를 측정 하였고, Sales라는 소프트웨어를 사용한 impedance analyzer(IM6, ZAHNER electric)를 이용하여 ImHz예서 1이러z frequency 범위에서 5mV 진폭의 교류 입력에 대한 전류를 측정하여 MEA의 저항을 측정하였다.
- 촉매층내 반응 활성점인 삼상계면을 형성시키 기 위해 함침하는 Nafion binder의 이온당량을 anode와 cathode에 동일하게 변화시켜 주어 단위 전지 성능을 확인하였으며, 그 결과를 토대로 anode와 cathode에 이온당량을 각기 다르게 하여 각각의 전극마다 이온당량이 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. Anode와 cathode에 함침하는 nafion binder의 이온당량을 동일하게 EW1100, EW1000, EW900으로 변화 시켜주었을 경우 이온당 량의 물성치가 상대적으로 향상된 EW900의 단위전 지 성능이 가장 우수하였다.
대상 데이터
- )를 사용하였다. 단위전지 성능 변화를 확인하기 위한 MEA는 유효면적이 25cm2이며, Catalyst coated niembrane(CCM)방식으로 제조하였다. Pt의 함량은 anode와 cathode의 촉매층 전반에 걸쳐 전극면적 을 기준으로 0.
- K)를 사용하여 spray 방법으로 anode와 cathode의 촉매층을 형성 하였다. 전해질막은 Perflurosulfonic acid(PFSA) 전해질막인 NRE-212(DuPont Inc.)를 사용하였다. 단위전지 성능 변화를 확인하기 위한 MEA는 유효면적이 25cm2이며, Catalyst coated niembrane(CCM)방식으로 제조하였다.
이론/모형
- %)을 촉매 분말과 함께 혼합하여 촉매 잉크를 제조하였다. 촉매로는 백금이 분산된 Pt/C (45.5wt% TANAKA KIKIZOKU KOGYO K. K)를 사용하여 spray 방법으로 anode와 cathode의 촉매층을 형성 하였다. 전해질막은 Perflurosulfonic acid(PFSA) 전해질막인 NRE-212(DuPont Inc.
성능/효과
- 이온당량이 EW900이었을 때 최적의 Nafion binder 함침량은 EW1100의 Nafion binder 함침량 과 동일하였다. Anode와 cathode의 이온당량을 각각 EW1100과 EW900, EW900과 EW11OO으로 MEA를 제 조하여 이온당량이 전극에 미치는 영향을 살펴 본 결과 anode는 EW900과 EW1100으로 함침하는 Nafion binder의 이온당량이 변화더라도 cathode 보다 상대적으로 빠른 수소 산화반응으로 인하여 단위전지 성능에는 큰 영향이 없었다. 그러나 cathode의 경우는 함침하는 Nafion binder의 이온 당량을 EW900으로 촉매층을 제조하면 EWU00보다 도 이온당량의 물성치가 향상되어 반응활성점이 증가하므로 anode의 이온당량을 변화시켜 주었을 때와는 달리 단위전지 성능에 영향을 주었다.
- Anode와 cathode의 두 전극내 함짐하는 Nafion binder의 이온당량을 다르게 하여 단위전 지의 성능을 비교하였다. Fig. 5를 보면 anode와 cathcxie의 이온당량이 낮을수록 이온교환 능력 및 반응 활성점 향상으로 인하여 단위전지 성능이 좋 았으며 , 그에 반해 anode와 cathode의 이온당량이 높은 MEA는 이온교환 능력 및 반응활성점등의 저 하로 단위전지 성능이 낮았다. Cathode의 이온당 량을 EW1100으로 고정한 후 anode의 이온당량을 EW1100, EW900으로 변화 시켜주면 수소의 산화반 응 전극 특성으로 인하여 이온당량이 높고 낮음과는 관계없이 단위전지 성능에는 큰 영향을 받지 않았다.
- 3과 같이 촉매층내 이온당 량을 EW900으로 고정한 후 Nation binder의 함침 량만 변화시켜 EW900에 관한 최적의 Nation binder 함침량을 알아보았다. Nafion binder의 함침량은 촉매무게비의 27%, 40%때가 33%일때보다 단위전지 성능이 감소하는 것을 볼 수 있다. Nafion binder 의 함침량 33%를 기준으로 할 때 과다하게 담지한 40%의 경우 촉매의 이용률을 떨어뜨려 전자의 이 동을 방해할 뿐만 아니라 전극의 기공률 또한 감 소시키는 결과를 초래하였다.
- 2의 Nafion binder의 함침량을 고정한 후 이온당량만 변화 시 켜주었을 때와는 달리 Nafion binder의 함침량이 증가됨에 따라 전하전달저항(charge transfer resistance)의 변화의 폭이 상대적으로 증가하였다. Nafion binder의 함침량이 달라지면서 족매증 의 구조가 변하고, 촉매층의 구조가 변하면서 단 위전지 운전시 gas diffusion에 많은 영향을 주어 전하전달저항 변화의 폭이 크게 나타났다.
- 그러나 cathode의 경우는 함침하는 Nafion binder의 이온 당량을 EW900으로 촉매층을 제조하면 EWU00보다 도 이온당량의 물성치가 향상되어 반응활성점이 증가하므로 anode의 이온당량을 변화시켜 주었을 때와는 달리 단위전지 성능에 영향을 주었다. 결 과적으로 anode와 cathode의 촉매층 내 함침하는 Nafion binder의 이온당량의 변화가 미치는 영향 은 anode보다 cathode가 크다는 것을 알았다.
- Cathode의 이온당 량을 EW1100으로 고정한 후 anode의 이온당량을 EW1100, EW900으로 변화 시켜주면 수소의 산화반 응 전극 특성으로 인하여 이온당량이 높고 낮음과는 관계없이 단위전지 성능에는 큰 영향을 받지 않았다. 그러나 cathode의 이온당량이 낮은 경우이은당량이 높을 때보다 촉매층내 반응 활성점의 향상으로 인하여 단위전지 성능에 영향을 주었다. Anode의 이온당량을 EWU00으로 고정한 후 cathode의 이온당량만 EW1100에서 EW900으로 변화 시켰을 경우에는 anode와 cathode의 두 전극에 EW900인 Nafion binder의 MEA와 비슷한 단위전지 성능을 보였다.
후속연구
- Anode의 이온당량을 EWU00으로 고정한 후 cathode의 이온당량만 EW1100에서 EW900으로 변화 시켰을 경우에는 anode와 cathode의 두 전극에 EW900인 Nafion binder의 MEA와 비슷한 단위전지 성능을 보였다. 만일 cathode에 이온당량이 더 낮은 Nafion bindeㄱ를 함침 시키면 수소이온의 electro-osmotic drag와는 상관없이 cathode의 전 기 화학적 반응을 더욱 증가시켜 back diffusion 의 영향이 더욱더 커져 다공성 촉매 표면에 반응 기체의 접근을 어렵게 할 것이라고 예측할 수 있을 것이다. 그러나 수소를 공급해주는 anode와 air를 공급해주는 cathode의 양론비가 각각 1.
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