초록 ▼

Freeze-casting 방법을 적용한 다공성 금속을 제조하기 위해 Ti 분말, poly vinyl alcohol (PVA)및 정제수로 금속 슬러리를 제조하였고, 슬러리는 아랫부분부터 서서히 −10℃/min 속도로 응고시켜, −90℃에서 20시간 동안 얼음 승화 후, 건조된 재료를 고진공 로(furnace)에서 300℃에서 3시간 열처리하여 내부의 PVA 제거, 1000℃ 이상의 온도에서 Ti 말을 소결하여 Ti 금속 폼을 완성하였다.

연료전지 적용/평가를 위하여 막전극 접합체는 sepentine flow field의

Freeze-casting 방법을 적용한 다공성 금속을 제조하기 위해 Ti 분말, poly vinyl alcohol (PVA)및 정제수로 금속 슬러리를 제조하였고, 슬러리는 아랫부분부터 서서히 −10℃/min 속도로 응고시켜, −90℃에서 20시간 동안 얼음 승화 후, 건조된 재료를 고진공 로(furnace)에서 300℃에서 3시간 열처리하여 내부의 PVA 제거, 1000℃ 이상의 온도에서 Ti 말을 소결하여 Ti 금속 폼을 완성하였다.

연료전지 적용/평가를 위하여 막전극 접합체는 sepentine flow field의 bipolar plate 사이에 장착, 단위전지는 연료극 쪽으로 75℃로 가습된 수소 가스를, 공기극 쪽으로 70℃로 가습된 산소 (또는 공기) 가스를 양론비 1.5/2로 공급하였으며, 단위전지의 온도는 70℃로 유지하고 상압에서 평가 진행, CV 및 EIS 등 관련 전기화학 평가 진행. Ti 금속 폼을 연료극에 적용한 결과, 산소를 공급하였을 경우에 상용 GDL과 비교하여 154%의 효율 향상, 공기를 공급하였을 경우 159%의 효율 향상 달성하였다.

또한 분리판 내에 다공성 폼을 체결함으로 분리판-기체확산층 일체형 막-전극접합체를 제조하여 자동차 연료전지의 일반적인 운전 조건인 셀 온도 70 ℃, 수소-산소 (공기) 조건에서 운전, 기존의 MEA가 0.6V에서 900 mA/cm²의 성능을 보이는 것에 비하여 약 850 mA/cm²의 성능을 보임에 따라서 일체형 막-전극접합체가 아직까지는 기존 막-전극접합체를 사용한 연료전지 보다 높은 출력을 달성하지는 못했지만 아직까지 기공도 및 전극두께 등의 최적화가 이루어지지 않았기 때문으로 사료된다.

리튬 이차 전지에 적용한 경우, 제조한 SnO₂/Cu foam을 코인 셀의 음극으로 적용하여 초기 충/방전용량은 물론 셀의 장기 성능 특성 확인. 초기 방전용량과 충전용량은 각각 1720과 1017 mAh/g, Cu 호일에 SnO₂ 나노입자가 코팅된 전통적인 SnO₂전극의 초기 방전용량과 충전용량은 각각 1983과 988 mAh/g, SnO₂/Cu foam 전극이 기존전극에 비하여 쿨롱효율이 약 10 % 높음, 또한 Cu 호일에 SnO₂ 나노입자가 코팅된 전극은 1C의 충/방전속도로 50회 운전 후에 저의 용량이 거의 0에 근접한 것과 비교하여 SnO₂/Cu foam 전극은 621 mAh/g 의 용량 유지되었다.

염수분해 electrolyzer는 산화전극 물질로 DSA 또는 TiO₂ 가 적용되고 있는데 기존에 사용되고 있는 전극구조가 비표면적이 적은 plate 형태이기 때문에 산화전극에 많은 과전압이 발생함. 산화전극으로 제조 Ti foam을 적용하여 기존 DSA전극과 비교하여 에너지 소비효율과 염소가스 생산량을 측정, Ti foam 전극을 적용한 electrolyzer의 경우 20-80 ℃까지 모든 운전온도 영역에서 DSA전극을 사용한 electrolyzer에 비하여 염소가스 생산량이 200~250 % 까지 증가, 벌크형태의 금속전극인 DSA전극에 비하여 수 um에서 수십 nm 크기의 기공을 50 % 이상 가지고 있는 Ti foam이 셀 운전시 반응물의 유동에도 유리하고 발생한 염소가스를 외부로 포집하기에도 적절한 구조임을 증명하였다.

본 연구는 freeze-casting 공정을 이용하여 금속 폼 제작 후, 수소 이온 교환 막 연료전지에 단위 전지상태에서 향상된 성능과 내구성을 확인하고자 하였다. 연료전지 단위전지에 성공적으로 적용하였으며 성능 및 내구성 또한 달성함. 연료전지뿐만 아니라 리튬 이차전지 및 염수분해 전기장치에도 적용하여 우수한 성능과 내구성을 확인함였다. 따라서 연료전지에 국한하지 않고 기타 전기화학 에너지장치로 성공적인 적용을 했을 뿐만 아니라 기타 장치에도 적용가능성을 제시하는데 기여도가 매우 크다고 할 수 있다.

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 16