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고출력밀도에서 물질전달향상을 위한 고분자전해질 연료전지용 기체확산전극 개발
박세규 한국공업화학회 2014 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2014 No.1
고분자 전해질 연료전지는 수소나 프로톤(H<sup>+</sup>)을 제공할 수 있는 화합물의 화학적 에너지를 직접 전기로 변환할 수 있는 전기화학적 에너지전환장치이다. 특히, 전기자동차용 동력원으로 각광받으며 수소와 공기중의 산소를 사용하는 고분자 전해질 연료전지의 성능은 연료극과 환원극에서 발생하는 과전압에 의해서 결정되는데, 상대적으로 느린 산소환원반응과 산소확산속도로 환원극의 과전압이 연료극에 비해 훨씬 크다. 과전압은 크게 활성화 과전압, 오믹(Ohmic) 과전압, 농도 과전압으로 구별되며, 고출력밀도에서는 농도 과전압이 연료전지의 성능을 결정한다. 농도 과전압을 줄이기 위해서는 반응물인 산소가 촉매층으로 잘 확산되어야 하고 반응생성물인 물은 촉매층으로부터 효과적으로 배출되어야 한다. 이를 위해서 촉매층과 기체유로 사이에 위치한 기체확산층의 역할은 매우 중요하며, 기체확산층의 물성과 구조에 따라 고출력밀도에서 연료전지의 성능은 크게 영향을 받는다. 본 연구에서는 미세기공층을 가지는 이중구조의 기체확산층을 활용하여 효과적으로 물을 관리할 수 있는 다양한 방법들을 알아보고, 물의 여러 이동현상에 따른 기체 확산전극의 설계에 대해 살펴보고자 한다.
박세규 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.0
고분자 전해질 연료전지의 성능은 크게 촉매의 활성과 관련된 활성화 과전압, 이온전달저항 및 전자전달저항을 포함하는 오믹과전압, 연료 및 산화제의 확산과 관계된 농도과전압에 의해 좌우된다. 특히, 농도과전압을 줄이기 위해서는 상대적으로 확산속도가 느린 환원극에서의 산소확산이 원활하게 이루어져야 하는데, 연료전지 반응에 의해 생성된 물은 산소의 확산을 직접적으로 방해하는 요소가 된다. 따라서, 환원극에서의 물관리를 잘 할 수 있는 전극설계가 필요하며, 이는 환원극의 기체확산층의 소재와 설계에 달려있다고 할 수 있다. 본 연구에서는, 폭넓은 문헌조사를 바탕으로 기체확산층의 역할과 종류를 살펴보고, 물관리를 할 수 있는 확산층설계 및 친수성과 소수성을 조절할 수 있는 다양한 소재에 대해서 알아보고자 한다. 또한, 기체확산층을 제조하는 다양한 제조방법과 물의 이동현상에 대해서 살펴보아, 물관리를 통한 산소확산을 증가시킬 수 있는 방법에 대해 고찰해 보고자 한다.
박세규,Branko N. Popov 한국화학공학회 2014 Korean Journal of Chemical Engineering Vol.31 No.8
Four different membrane-electrode-assemblies (MEAs) with single and dual-layer gas diffusion layers(GDLs) at the anode and the cathode were prepared to examine polarization characteristics that rely on MEA configuration. Porous structure of single and dual-layer GDLs was investigated using a mercury porosimeter. An MEA withdual-layer GDLs at each electrode demonstrated higher performance with an air feed. To comprehend the improvement,the impedance behavior at various current densities and polarization behavior under back pressure were analyzedin terms of oxygen diffusion processes that control catalyst utilization in the gas diffusion electrode.
박세규,Yuyan Shao,Vilayanur V. Viswanathan,Jun Liu,Yong Wang 한국공업화학회 2016 Journal of Industrial and Engineering Chemistry Vol.42 No.-
In this paper, we describe a highly stable cathode containing a Pt catalyst supported on an indium tinoxide (ITO) and carbon nanotube (CNT) composite. The dependence of cathode performance anddurability on the ITO content and the diameter of the CNTs were investigated by electrochemicaltechniques. The cathode with 30 wt% ITO and CNTs with diameters 10–20 nm in the composite offeredpreferred locations for Pt stabilization and was very resistant to carbon corrosion (i.e., 82.7% ESAretention and 105.7% mass activity retention after an accelerated stress test for 400 h).