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Kafe 바로가기주관연구기관 | 전북대학교 Chonbuk National University |
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연구책임자 | 유연태 |
참여연구자 | 조진녕 , 김정현 , 김진우 , 이준우 , 수라쿠머 트리파티 , 아딜비쉬 강푸레 |
보고서유형 | 3단계보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2015-09 |
과제시작연도 | 2014 |
주관부처 | 미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
과제관리전문기관 | 한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 | TRKO201700009330 |
과제고유번호 | 1711015523 |
사업명 | 기후변화대응기술개발 |
DB 구축일자 | 2017-10-28 |
키워드 | 연료전지.백금촉매전극.전기영동석출법.금속콜로이드.박막형 촉매전극.fuel cell.Pt catalyst electrode.electrophoresis deposition.metallic colloid.thin film type electrode. |
DOI | https://doi.org/10.23000/TRKO201700009330 |
본 연구는 PEM 연료전지에 사용되는 MEA (membrane electrode assembly)의 Pt 촉매 담지량을 저감화 하기 위하여, 전기영동 석출법을 이용하여 고성능 Pt/C 촉매전극의 제조 기술을 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 특히 2단계 연구에서 Pt/C 촉매전극 중 Pt 촉매층을 다층화하여 Pt 담지량의 이용율을 향상시켜 Pt 감량화를 달성하고자 하였고, 다음과 같은 연구결과를 얻었다. 전기영동 석출법을 이용하여 Pt/C 및 Pt-Ru/C 촉매 전극에 대하여 성공적으로 double 및 triple active c
본 연구는 PEM 연료전지에 사용되는 MEA (membrane electrode assembly)의 Pt 촉매 담지량을 저감화 하기 위하여, 전기영동 석출법을 이용하여 고성능 Pt/C 촉매전극의 제조 기술을 개발하는 것을 목적으로 하고 있다. 특히 2단계 연구에서 Pt/C 촉매전극 중 Pt 촉매층을 다층화하여 Pt 담지량의 이용율을 향상시켜 Pt 감량화를 달성하고자 하였고, 다음과 같은 연구결과를 얻었다. 전기영동 석출법을 이용하여 Pt/C 및 Pt-Ru/C 촉매 전극에 대하여 성공적으로 double 및 triple active catalyst layer 구조를 갖는 촉매전극을 제작하였다. 이때 사용된 Pt 및 Pt-Ru 나노 콜로이드의 입경은 모두 4-5 nm 이하를 나타내었고, 특히 Pt-Ru 복합 나노입자의 입경은 2-5 nm를 나타내었다.
또한 double 및 triple 촉매층의 각 층의 두께는 모두 2-3 ㎛ 정도인 것으로 확인되어, 박막형 다층구조 전극의 제조 가능성을 시사하였다.
본 기술의 상용화를 위한 첫 단계 기술이라고 할 수 있는 대면적 Pt/C 촉매전극 제조기술의 기본기술을 성공적으로 개발하였다. 2단계 연구에서 대면적 Pt/C 촉매전극의 크기는 25㎠이고, 전기영동석출법으로 Pt 촉매층이 매우 균일한 Pt/C 촉매전극을 제작하였다. 이 전극에 대한 CV 및 단위 셀 테스트를 통하여 signle 촉매층 보다는 double 및 triple 촉매층 전극에서 더 우수한 전기화학적 활성을 보인다는 연구결과를 도출할 수 있었다. 또한 본 기술을 이용하여 100cm2 이상의 전극면적을 갖는 Pt/C 촉매전극의 제조가 가능하다는 사실도 확인할 수 있었다.
(출처: 보고서 요약서 3p)
The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which can work at low temperatures, has great potential for use in stationary, transport and portable applications. One of the challenges facing PEMFC commercialization is to improve the utilization of platinum within the catalyst layer, which shou
The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which can work at low temperatures, has great potential for use in stationary, transport and portable applications. One of the challenges facing PEMFC commercialization is to improve the utilization of platinum within the catalyst layer, which should ultimately reduce the platinum loading in the electrodes. Theoretically, all platinum in the catalyst layer should be active for hydrogen oxidation and oxygen reduction reactions. For this to be the case, the fuel and oxidant must react at the interfacial region between the polymer electrolyte (e.g. Nafion) and platinum catalyst, which is a three-phase reaction zone. Here, the electrode should be designed to allow rapid access of the reactants into this zone and the electrolyte/catalyst interface must enable the transfer of both protons and electrons. In the conventional method, to prepare a Pt-loaded carbon black (Pt/C) electrode, the platinum catalyst supported on carbon black should be mixed with ionomers and the resulting colloidal ink be sprayed onto a porous carbon support, such as carbon paper or cloth. In such cases, most of the platinum particles are not accessible to the reactants because they are deposited in the porous structure of the carbon support and some platinum particles are buried completely or partially in the ionomers. These problems decrease also the activity of the Pt catalyst in a direct methanol fuel cell (DMFC).
On the other hand, the electrodeposition method for preparing Pt/C is advantageous in achieving greater selectivity in the placement of platinum particles into the preformed electrode but it has also a drawback. After the initial formation of a platinum particle, further deposition continues on the same particle resulting in an increase in particle size. The mean particle size of electrodeposited platinum has been estimated to be 10-300 nm. Nevertheless, the electrodeposition method appears to be the only technique through which loadings in the microgram range can be achieved.
This research project shows a new strategy for overcoming the increase in platinum particle size during electrodeposition using electrophoresis deposition, which can maintain the size of small platinum particles loaded on an electrode during deposition and easily control the loading. To prepare a Pt/C electrode using this electrophoresis deposition, carbon paper coated with carbon black ink (without platinum) and ionomers was used as the electrode, and a Pt colloid solution with a particle size of 4-5 nm was applied as the plating bath. This study shows how a thin Pt catalyst layer is formed on a carbon black electrode and how the Pt catalyst loading can be controlled using the pulsed electrophoresis deposition technique. The change in the Pt nanoparticle (NP) loading was monitored by cyclic voltammetry and chemical analysis. The results show that the electrophoresis deposition has potential for the development of a highly active catalyst electrode for PEMFC.
In the 1st research stage, we have developed a pulsed electrophoresis deposition (PED) method to avoid above mentioned disadvantage. It was shown that Pt nanoparticles in a colloidal solution could be deposited onto carbon black substrate at low pH without any change in size, and the prepared electrode had an ultra-thin Pt CL with a thickness of 2-2.5 μm. This method has the dual advantage of easy preparation and good control over Pt loading. However, previous studies were focused on a preparation of the single catalyst layer (SCL) electrode. Also, the mass-specific activity of the SCL electrode was considerably decreased with increasing deposition amount of Pt catalyst due to coagulation of Pt nanoparticles. In the 2nd research stage, we developed a novel Pt/C electrode with double catalyst layers (DCL) and triple catalyst layer (TCL) by PED method. It is aimed for improving catalyst utilization and reducing Pt loading. The catalytic activity of the Pt/C DCL and TCL electrodes were compared with that of SCL electrode. In the 3rd research stage, we developed Pt-Au/C, Pt-Pd/C, Pt/TiO2-C and Pt-Au/TiO2-C composite catalyst electrode by PED method. Moreover Pt/C electrode with 100 cm2 area was successfully prepared by PED method.
(출처: Summary 7p)
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