[논문]PEMFC내 가변적인 전극조건에 따른 전기화학적 특성분석

남윤아; 김종훈; 최현지; 탁용석

PEMFC내 가변적인 전극조건에 따른 전기화학적 특성분석
Electrochemical Characteristic Analysis based on Various Electrode's Condition of a PEMFC 원문보기

남윤아 (충남대학교 전기공학과) , 김종훈 (충남대학교 전기공학과) , 최현지 (인하대학교 화학공학과) , 탁용석 (인하대학교 화학공학과)

가장 대표적인 연료전지인 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell)은 두 개의 전극으로 이루어지며, 각 전극(electrode)에 공급되는 수소(anode)와 공기(cathode)의 원활한 반응을 위해 촉매(catalyst)로서 백금(Pt)을 사용한다. 이 때, 촉매의 실험 조건에 따라 연료전지 두 전극의 반응이 달라지므로 촉매의 가변성 즉, 가변적인 전극 조건에 따른 전기화학적 특성이 면밀히 분석되어야 한다. 그러므로, 본 논문에서는 촉매의 변화에 기인한 가변적인 전극 특성에 따른 연료전지의 전기화학적 특성 분석을 실시하였다.

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문제 정의

결국, 셀의 결합 형태인 스택 및 연료전지 어플리케이션인 연료전지 전기자동차/버스(FCEV; fuel cell electric vehicle)[4]의 효율적 주행을 제한하는 핵심요인이 될 수 있다. 그러므로, 본 논문에서는 연료전지의 내부 촉매 변화에 따른 전극의 가변성을 살펴보고 이의 전기화학적 특성을 면밀히 분석하도록 한다.
본 논문에서는 촉매의 실험 조건에 따라 연료전지 두 전극의 가변성 즉, 가변적인 전극 조건에 따른 전기화학적 특성이 다름을 착안하여 촉매의 변화에 기인한 가변적인 전극 특성 결과를 분석하고 향후 연구방향을 제시하였다.

제안 방법

Pt 촉매 변화에 의한 연료전지 성능특성을 추가로 확인하기 위해 Pt embedded Nafion 전극을 이용한 연료전지 성능을 확인하였다. 앞의 경우와 달리 anode에 0.
3mg/cm²를 추가하였다(그림 2). Pulse duty cycle을 100ms(on(0.2;20ms)/off(0.8;80ms))로 정한 후, 전체 전하밀도(total charge density)를 세 경우(21, 42, 63C/cm²)를 적용하였다. 그림 3과 4는 연료전지의 단위 면적과 단위 무게당 성능곡선을 각각 비교하였다.
본 연구를 위해 연료전지 셀의 제조는 인하대학교 화학공학과 전기화학 실험실[10]에서 진행하였고, 이의 전기화학적 특성 분석을 공동 진행하였다. 본 논문에서는 앞의 ‘선행 화학적 연구 소개’의 peak current density와 pulse duty cycle 방법을 토대로 실험을 진행하였다.
Pt 촉매 변화에 의한 연료전지 성능특성을 추가로 확인하기 위해 Pt embedded Nafion 전극을 이용한 연료전지 성능을 확인하였다. 앞의 경우와 달리 anode에 0.4mg_Pt/cm²를 적용하였고, deposition solution (Pt(NH₃)₄CL₂+KCL, deposition current density 5mA/cm², total charge density 2.25C의 동일 조건을 적용하고 duty ratio를 ①;0.1/0.3s, ②;0.2/0.2s, ③;450s를 적용 뒤 이의 분극곡선(그림 5)과 임피던스 특성(그림 6)을 확인하였다. 앞의 그림 3과 4의 결과와 마찬가지로 5와 6의 결과도 기존 대비 나은 연료전지의 성능 개선 효과가 나타나지 않는다.
이러한 Pt 전해도금을 위해 연료전지의 기체확산층(GDL; gas diffusion layer)에 carbon black anode를 사용하는데, 이는 기체확산층 위에 carbon black을 화학적으로 처리한 후 nafion 혼합 후 spray 도포, hot press 압착 및 Pt 사용 등의 절차를 거치게 된다[8][9]. 이러한 선행 화학적 연구에서 적용했던 여러 방법을 참고하여 본 논문의 연구방향을 확정하였다.
우선, Pt 박막전극 제조를 위한 전해도금 장치를 그림 1에 나타내었다. 전해도금 장치 연료전지 내 셀의 GDL에 0.5mg/cm² carbon slurry를 추가하였고, 그 위에 hydrophilic layer 0.3mg/cm²를 추가하였다(그림 2). Pulse duty cycle을 100ms(on(0.

이론/모형

본 논문에서는 앞의 ‘선행 화학적 연구 소개’의 peak current density와 pulse duty cycle 방법을 토대로 실험을 진행하였다.

성능/효과

그림 3과 4는 연료전지의 단위 면적과 단위 무게당 성능곡선을 각각 비교하였다. 두 결과 모두, 기존에 비해 나은 성능을 보이지 않는데, 이는 전체 전하밀도에 따라 Pt 촉매의 면적 및 활성화가 기대되나 그만큼 Pt 평균입자의 크기도 증가하여 오히려 성능이 저하되는 단점을 보인다. 참고로, anode에는 0.
이외에, 전해도금(fabrication; 전기 분해의 원리를 이용하여 금속의 표면에 다른 금속의 얇은 막을 입히는 방법) 방법이 있으며, 이는 Pt 촉매에 H₂PtCl₆(육염화산화물)을 사용하는 방법[6][7]도 있다. 이 방법은 전해도금 시, 이온의 석출(electrodeposition)을 위해 일정한 흐름이 아닌 peak current density와 pulse duty cycle을 고려하며 I V 분극곡선의 특성 분석을 통해 일반 전해도금 방법에 비해 우수한 성능을 입증하였다. 이러한 Pt 전해도금을 위해 연료전지의 기체확산층(GDL; gas diffusion layer)에 carbon black anode를 사용하는데, 이는 기체확산층 위에 carbon black을 화학적으로 처리한 후 nafion 혼합 후 spray 도포, hot press 압착 및 Pt 사용 등의 절차를 거치게 된다[8][9].

후속연구

이를 해결하기 위해서는 Pt의 입자크기, 개선된 전해도금 설정 기준등이 확립되어야 하며 이의 추가 실험 및 연구를 인하대학교 화학공학과와 공동진행 할 예정이다. 이러한 개선으로부터 연료전지 셀 및 스택의 성능이 보장되며, 향후 연료전지 전력 구동시스템에도 큰 도움을 주리라 기대한다.
이는 곧, Pt embedded Nafion의 효과가 연료전지 개선에 큰 영향을 주지는 않으며, Pt 입자크기가 중대한 영향을 미침을 의미한다. 이를 해결하기 위해서는 Pt의 입자크기, 개선된 전해도금 설정 기준등이 확립되어야 하며 이의 추가 실험 및 연구를 인하대학교 화학공학과와 공동진행 할 예정이다. 이러한 개선으로부터 연료전지 셀 및 스택의 성능이 보장되며, 향후 연료전지 전력 구동시스템에도 큰 도움을 주리라 기대한다.

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