공기극의 불순물 농도에 따른 PEMFC의 성능 영향성 및 탄소전극의 표면개질에 따른 VRFB의 전기화학특성 연구 = he cathode impurities concentration effect on the performance of a PEMFC and electrochemical characteristics by surface treatment of carbon electrodes for VRFB

국문 초록 (Abstract)

Part 1

고분자 전해질 연료전지의 공기극에는 성능의 저하를 일으키는 다양한 오염원들이 존재한다. 본 논문에서는 공기극으로 주입되는 오염원을 SO2와 NO2의 혼합 가스를 선택하여 전지에 미치는 영향을 조사하였다. SO2와 NO2의 총 합이 100ppm으로 설정하여 혼합가스의 비율을 각각 다르게 설정하였다. SO2와 NO2의 농도는 각각 25ppm:75ppm, 50ppm:50ppm. 75ppm:25ppm으로 주입하였으며 본 연구에서는 이를 case 1, case 2, case 3으로 명명하였다. 연료전지의 성능평가로서 i-V curve를 수행했으며, I-V curve는 모든 오염원 투입 전후로 측정하였으며, 특정 전류밀도 (0.8 mA cm-2) 상태에서 오염원 주입과 순수한 공기의 투입을 통한 회복과정에서의 전압의 변화 과정을 관찰하였다. 그리고 전기화학적 분석방법인 cyclic voltammetry (CV)와 electrochemical impedance spectroscopy (EIS)등을 수행하여 그 오염원 투입시 성능감소의 원인을 파악하였다. 그 결과 SO2는 NO2보다 연료전지 성능 변화에 더 많은 영향을 미쳤고 회복과정 이후에도 낮은 전압을 보여주었다.

Part 2

본 논문은 Vanadium redox flow battery(VRFB)의 전극으로 사용하는 carbon felt를 CO2 분위기하에서 700℃부터 900℃까지 온도 변화를 주어서 표면개질을 시도하였다. 개질한 탄소전극의 정량적, 정성적 분석을 위하여 Scanning electron microscopy (SEM)와 X-ray photoelectron spectroscope (XPS)를 수행하였다. XPS 결과 온도가 증가함에 따라 표면에서 탄소와 산소의 작용기가 증가하였음을 볼 수 있었다. SEM 사진에서 개질한 탄소 전극 표면의 기공이 증가한 것으로 나타났다.. 전기화학적 특성 실험인 CV와 EIS 결과도 온도가 증가함에 따라 전극의 성능도 함께 증가하였다. 그러나 열처리 온도가 900 ℃ 일 때 전극의 성능이 감소하는 것은 중량손실이 급격하게 늘어났기 때문이다. 그러므로, CV와 EIS 결과는 850 ℃ 에서 가장 좋은 전극 성능을 보였다. 단위 전지 실험 결과 에너지 효율은 700℃ 에서 68.37%, 800℃에서 80.76%, 850℃에서 82.45%, 900℃에서 75.47%로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Part 1

There are various types of contaminators in cathode air which degrade performance of PEMFC. In the study, the SO2 and NO2 were selected as contaminators to observe the performance degradation quantitatively. The effect of change in the concentraion between SO2 and NO2 was conducted. Also, the total concentrations of the contaminator mixture are 100ppm, identically for all three cases. The performance degradation was predominant with increase of SO2 in the contaminator mixture. The cyclic voltammetry test results showed that the increased SO2 in the mixture caused the performance degradation during contamination and after recovery. Also, the EIS data supports the results mentioned above.

Part 2

The modification of carbon felt for VRFB carried out heat treatment and between 700 ℃ to 900 ℃ in CO2. The qualitative and quantitative analysis were carried out such as scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to investigate carbon felt. The functional groups of carbon and oxygen were observed to increase with increased temperature from XPS. The SEM image was similar tend of XPS. Results of electrochemical characteristics such as cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were increased with increased treatment temperature. However, the performance of electrochemical was decreased due to serious weight loss at 900 ℃. The best performance of the electrochemical test was obtained at 850 ℃. The energy efficiency was 68.37%, 80.76%, 82.45%, and 75.47% at 700 ℃, 800 ℃, 850 ℃, and 900 ℃ from the unit cell test.

목차 (Table of Contents)

• Part Ⅰ
• 공기극의 불순물 농도에 따른 PEMFC의 성능 영향성
• 초 록 1
• 1. 서론 2
• 2. 실험 4
• 2.1. 단위 전지 실험과 작동조건 5
• 2.2. 전기화학적 분석 6
• 3. 결과 6
• 4. 결론 12
• 참고문헌 13
• ABSTRACT 23
• Part Ⅱ
• 탄소전극의 표면개질에 따른 VRFB의 전기화학특성 연구
• 초 록 24
• 1. 서론 25
• 2. 실험 28
• 2.1. 탄소 전극의 활성 과정 28
• 2.2. 전기화학적 분석 28
• 2.3. 단위 전지 실험 29
• 3. 결과 30
• 4. 결론 40
• 참고문헌 41
• ABSTRACT 45