세가지 다른 형태의 탄소촉매 적용에 따른 바나듐레독스흐름전지 성능 변화에 관한 연구

추천호,정상현,정주영,천승규,이진우,권용재 한국수소및신에너지학회 2015 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.26 No.2

In this study, we carry out a study on how to improve performance of vanadium redox flow battery (VRFB) through promoting reaction rate of rate determining vanadium reaction ([VO]2+/[VO2]+). In order to do that, three different carbons like Vulcan (XC-72), CMK3 and MSU-F-C are adopted as the catalysts, while their catalytic activity and reaction reversibility are evaluated using half-cell tests. Their topological images are also measured by TEM. For estimation of the VRFB performance, multiple charge-discharge curves of VRFBs including the catalysts are measured by single cell tests. As a result of that, MSU-F-C shows relatively excellent catalytic activity and reaction reversibility as well as large surface area compared to those of Vulcan (XC-72) and CMK3. Also, in terms of the performance of VRFBs including the catalysts, VRFB including MSU-F-C indicates (i) low charging/discharging overpotentials and low internal resistance, (ii) high charge/discharge capacities and (iii) high energy efficiency. These VRFB performance data are well agreed with results on catalytic activity and reaction reversibility. The reason that MSU-F-C induces superior VRFB performances is attributed to (i) its large surface area and (ii) its hydrophilic surface functional groups that mainly consist of hydroxyl bonds that are supposed to play active surface site role for facilitaing [VO]2+/[VO2]+ redox reaction. Based on the above results, it is found that adoption of MSU-F-C as catalyst for VRFB results in improvement in VRFB performance by promoting the languid [VO]2+/[VO2]+ redox reaction.

수계 유기 레독스 흐름 전지 성능에서의 첨가제 효과

추천호,이원미,권용재 한국화학공학회 2019 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.57 No.6

In this study, the effect of additives on the performance of aqueous organic redox flow battery (AORFB) using quinoxaline and ferrocyanide as active materials in alkaline supporting electrolyte is investigated. Quinoxaline shows the lowest redox potential (-0.97 V) in KOH supporting electrolyte, while when quinoxaline and ferrocyanide are used as the target active materials, the cell voltage of this redox combination is 1.3 V. When the single cell tests of AORFBs using 0.1 M active materials in 1 M KCl supporting electrolyte and Nafion 117 membrane are implemented, it does not work properly because of the side reaction of quinoxaline. To reduce or prevent the side reaction of quinoxaline, the two types of additives are considered. They are the potassium sulfate as electrophile additive and potassium iodide as nucleophilie additive. Of them, when the single cell tests of AORFBs using potassium iodide as additive dissolved in quinoxaline solution are performed, the capacity loss rate is reduced to 0.21 Ah·L-1 per cycle and it is better than that of the single cell test of AORFB operated without additive (0.29 Ah·L-1 per cycle). 본 연구에서는 퀴노잘린(quinoxaline)과 페로시아나이드(ferrocyanide)를 활물질로 활용한 알칼리 전해질 기반 수계유기 레독스 흐름전지에 대해 다양한 첨가제를 적용하여 성능을 비교하는 실험을 진행하였다. 퀴노잘린(quinoxaline)의경우 염화칼륨(KCl) 전해질보다는 수산화칼륨(KOH) 전해질에서의 레독스 전위(-0.97 V)가 더 작은 위치에 있으며, 이에따라 KOH 전해질에 대해 페로시아나이드와 조합을 이루었을 때, 셀 전압 값은 1.3 V로 높게 나타났다. 상용 양이온교환막 중 하나인 Nafion 117 멤브레인을 사용하였을 때, 퀴노잘린(quinoxaline)의 부반응 현상을 반전지 상에서 관찰할 수 있었으며, 이에 따라 충방전 자체가 잘 되지 않는 문제점이 있다. 따라서, 문제점이 되는 퀴노잘린(quinoxaline) 의 부반응을 해결하기 위해 친전자체와 친핵체 중 하나인 포타슘설페이트(K2SO4)와 포타슘아이오다이드(KI)를 사용하였으며, 포타슘아이오다이드(KI)를 사용하였을 때, 용량 손실율 측면에서 포타슘 아이오다이드(KI)를 첨가제로 넣지않았을 때(0.29 Ah·L-1 per cycle) 보다 더 낮은 용량 손실율(0.21 Ah·L-1 per cycle)로 더 높은 용량 유지율을 보였다.

연료전지를 이용한 무인항공기 전력공급 기술

추천호(Cheunho Chu),최우진(Woojin Choi) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.12

PEM 수전해에서 정지횟수가 성능 감소에 미치는 영향

박윤진,추천호,양종원,나일채 한국화학공학회 2023 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.61 No.2

In the case of driving water electrolysis by receiving surplus electricity from solar and wind power generation, operation and stopping must be repeated according to weather fluctuations. When the PEMWE(Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis) is driven and stopped, the PEM fuel cell is in the same state as the PEM fuel cell due to the residual hydrogen and oxygen, and the high potential of the water electrolysis formed during operation is highly likely to cause degradation of the electrode and membrane even during stopping. In this study, in order to check how much degradation of the electrode and membrane progresses during the repeated driving/shutdown process of PEM water electrolysis, the performance decrease was measured by changing the number of driving/shutdown for 144 hours. Changes in electrode catalyst active area, hydrogen permeability and fluorine emision rate of membranes were analyzed to measure changes in the properties of electrodes and polymer membranes. Overall, the PEMWE performance decreased as the number of stops increased. When stopped 5 times in 144 hours, the IrOx catalyst activity decreased by more than 30%, and the hydrogen permeability increased by 80%, confirming that both the electrode and the membrane were deteriorated. 태양광과 풍력발전의 잉여전기를 공급받아 수전해를 구동하는 경우 날씨 변동에 따라 구동과 정지를 반복해야한다 . 수전해를 구동하다 정지하면 잔류 수소와 산소에 의해 PEM 연료전지와 같은 상태가 되고 , 구동 중 형성된 수전해의높은 전위 때문에 전극과 고분자막이 정지 중에도 열화될 가능성이 높다 . 본 연구에서는 PEM 수전해가 구동 /정지 반복과정에서 전극과 고분자막의 열화가 얼마나 진행되는지 확인하고자 , 144시간 동안에 구동 /정지 횟수를 변화시키며성능 감소를 측정하였다 . 전극 촉매 활성면적 변화와 고분자막의 수소투과도와 불소유출속도 등을 분석해 전극과 고분자막의 특성 변화를 측정했다 . 전체적으로 정지 횟수가 증가할수록 PEM 수전해 성능이 감소했다 . 144시간동안에 5 회 정지했을 때 IrOx 촉매 활성이 30% 이상 감소하였고 , 수소투과도는 80% 증가해서 전극과 고분자막이 모두 열화됨을 확인했다 .

PEMFC 고분자 막의 Radical 제거제로서 후코이단과 보조제의 상승효과 연구

오성은,김영숙,추천호,박권필 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

후코이단은 음이온 전하를 띄는 고분자로 항암효과 및 항산화 효과가 있고 주로 다시마와 미역에 다량 함유되어 있으며 특히 미역귀에 높은 함량을 나타낸다. 후코이단의 구조는 후코스(Fucose)라는 기본당과 황산기가 결합되어 있으며 후코스의 구조 중 OH기가 radical과 반응하는 것을 확인하였다. Radical 제저제를 단독으로 사용할 때 보다 보조제를 혼합해서 사용하는 것이 라디칼 제거 효과가 커지는 경우가 있다고 보고되었다. 본 연구에서는 이와 같은 상승효과 확인을 위해 보조제로서 구연산, 말레인산, 인산 등을 후코이단과 혼합해 Fenton 반응을 진행하였다. 후코이단은 210분 열수 추출하였고, 원심분리기를 이용해 분리하여 분말화하였으며 저분자화로 산처리 방법을 이용하였다. Fenton 용액(과산화수소+FeSO4 10 ppm)에 후코이단, 보조제와 Nafion 211을 첨가하여 70°C, 400 rpm에서 3시간 교반한 후 용액을 채취하여 불소 이온 농도를 확인하였다. 후코이단은 미역귀 100g 당 평균 8.26g 추출되었다. 후코이단에 구연산과 같은 보조제를 첨가하면 Radical 제거 효과가 상승함을 확인하였다.

수정된 폴리올 방법을 적용하여 합성한 PtM 촉매들의 산소환원반응성 연구

양종원,현규환,추천호,권용재 한국공업화학회 2014 공업화학 Vol.25 No.1

본 연구에서는 수정된 폴리올법에 의해 합성된 백금-이트륨 및 백금-니켈 합금 촉매들의 성능 및 특성 평가를 진행하였다. 그렇게 합성된 합금 촉매들은 고분자전해질연료전지의 공기극 촉매로 사용되며 그 촉매들의 산소환원반응성및 연료전지의 전기적 성능이 측정되고 상업적으로 사용되는 백금 촉매와 해당하는 결과들이 비교되었다. 성능 및특성 비교를 위해, 백금 합금 촉매들의 입자크기와 분포는 투과전자현미경에 의해 관측되었고 활성표면적은 반복주사전압-전류법에 의해 측정되었으며 그들의 산소환원반응성 및 연료전지의 전기적 성능은 회전원판 및 회전-고리 원판전극을 이용한 선형주사 전압-전류법 및 완전지 테스트를 통해 평가되었다. 그 결과 백금 합금 촉매들의 구조적 특성인입자크기 및 분포 및 활성표면적은 상용 백금 촉매와 그 특성이 비슷하였다. 촉매들의 산소환원반응성의 경우에도백금 합금 촉매들은 상용 백금 촉매와 비슷하거나 더 나은 반파장전위, 속도론적 전류밀도, 산소분자당 전이되는 전자수, 과산화수소 생성율을 나타내었다. 촉매의 구조적 특성 및 산소환원반응성에 입각해서 완전지 성능을 평가했을때, 백금 합금 촉매들은 상용백금 촉매보다 더 우수한 0.6 V에서 전류밀도 및 최대출력밀도 값을 나타내었다. 이를토대로 수정된 폴리올법에 의해 합성된 백금 합금 촉매들은 상용백금 촉매보다 비슷하거나 우수한 산소환원반응성및 완전지 성능을 가질 수 있음을 제시하였다.

PEM 수전해 Cathode 액상조건과 기상조건에서 MEA 내구성 비교

이선인,김영숙,추천호,오소형,박권필 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

PEM(Proton Exchange Membrane) 수전해는 PEMFC와 유사하게 귀금속 촉매와 고분자 전해질을 이용하여 물을 전기분해하여 양극에서 산소, 음극에서 수소를 발생시킨다. PEM 수전해는 화석연료를 이용한 수소 생산과는 다르게 환경 오염이 없기 때문에 유망하다고 생각되나, 내구성이 아직 확보 되지 않은 문제점이 있다. 신재생에너지의 잉여 전력을 활용한 수소 생산 방법으로 연구가 진행되고 있으나, 다양한 조건에서의 내구성에 대한 자료가 부족한 상황이다. 본 연구에서는 수전해 셀(Cell) Cathode의 액상 및 기상 조건에 따른 PEM 수전해 내구성에 대해 연구하였다. 내구성 평가조건으로 온도와 전압, 액상 및 기상 조건을 변화시키면서 고분자막과 전극의 열화정도를 분석하였다. PEM 수전해 MEA 열화는 I-V, Impedance, CV, FER 등을 이용해 분석했다. Cathode를 액상 조건에서 구동하였을 때 Radical 발생속도가 감소해 고분자 막 내구성이 향상됨을 보였다.

후코이단과 탄닌산에 의한 PEMFC 고분자막의 내구성 향상

박권필,오소형,추천호,김영숙,나일채 한국화학공학회 2023 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.61 No.1

In order to improve the durability of the PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cells) polymer membrane, a radical scavenger and a support are used. In this study, the durability of membranes containing fucoidan extracted from seaweeds and tannic acid serving as a crosslinking agent is evaluated to improve chemical and physical durability. Physical durability is evaluated by measuring tensile strength, and chemical durability is measured by Fenton experiment. Membrane and electrode assembly (MEA) is prepared and mechanical and chemical durability are measured through accelerated durability evaluation in the cell. The tensile strength measurement showed that fucoidan and tannic acid can improve the mechanical durability of the membrane by improving the strain rate and yield strength. It is shown in Fenton experiment that fucoidan acts as a radical scavenger. As a result of the accelerated durability test in the unit cell, fucoidan improved both chemical and mechanical durability, increasing the accelerated durability evaluation time by 38.1% compared to the additive-free membrane. When tannic acid is added, the durability of the polymer membrane is improved by 13.9% by improving the mechanical durability. PEMFC(고분자전해질 연료전지) 고분자막의 내구성을 향상시키기 위해서 라디칼 제거제와 지지체가 사용되고 있다. 본 연구에서는 화학적 내구성과 물리적 내구성을 향상시키기 위해서 해조류에서 추출한 후코이단과 가교제 역할을 하는 탄닌산을 첨가한 고분자막의 내구성을 평가하였다. 물리적 내구성은 인장강도를 측정해 확인했고, 화학적 내구성은Fenton 실험으로 측정하였다. 막과 전극합체(MEA)를 제조하여 셀에서 가속 내구 평가를 통해 기계적 내구성과 화학적 내구성을 평가하였다. 인장강도 측정으로 후코이단과 탄닌산의 변형율과 항복강도 등을 향상시켜 고분자막의 기계적 내구성을 향상시킬 수 있음을 보였다. 후코이단이 라디칼 제거제 역할을 함을 Fenton 실험에서 확인했다. 단위전지에서 가속 내구 실험 결과 후코이단은 화학적 내구와 기계적 내구를 모두 향상시켜 무첨가막보다 가속 내구 평가 시간을 38.1% 증가시켰고, 탄닌산을 추가하면 기계적 내구성 향상에 의해 고분자막의 내구성이 13.9% 향상되었다.

폐유기물 함유 갯벌에서 저생미생물 연료전지(Benthic Microbial Fuel Cells, BMFC) 성능향상을 위한 비타민 첨가 효과

김지원,김영숙,추천호,박권필 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

저생 미생물 연료전지(BMFC)는 뻘 속에 미생물을 이용해 생물학적으로 분해 가능한 유기물로부터 전기를 생산하는 공정이다. 뻘에 번식된 미생물이 유기물질을 분해하여 생성된 수소이온이 양극에서 음극으로 이동하게 되고 여기에 산소를 공급해주면 환원반응이 일어나는 원리이다. 앞선 연구에서 갯벌에 폐유기물이 유입되었을 때 변화를 보기 위해 박력분을 갯벌에 혼합했을 때 BMFC 성능이 감소하여 문제점이 발생했다. 박력분이 혼합된 BMFC의 성능을 향상시키기 위해 첨가 성분으로 DSMZ 826 medium과 vitamin을 혼합한 후 실험한 결과 성능이 약간 향상됨을 보였다. 따라서 vitamin의 함유량을 변화시켜 BMFC의 성능 향상 연구를 하고자 한다. 본 연구에서는 최고 출력 밀도 100 mW/m² 이상의 성능을 달성하기 위해서 vitamin의 양(박력분 대비 1.25~10%)을 변화시켜 건조주기를 1일 단위로 실험을 진행하였으며, 1일 주기로 I-V와 power density를 측정하여 성능을 확인하였다. Vitamin의 양이 증가할수록 장기간 성능 유지가 되었으며, 104 mW/m² 이상의 높은 최고전력밀도 값을 보여 BMFC의 성능 향상에 많은 영향을 줌을 확인하였다.

저생 미생물 연료전지(Benthic Microbial Fuel Cells, BMFC)의 성능 향상에 관한 연구

임대현,김지원,김엘림,김영숙,추천호,박권필 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

수자원의 오염이 전세계적으로 심각한 문제로 부각되고 있는 지금 수중 퇴적물의 정화는 수질환경 개선에 매우 중요하게 부각되고 있다. 수중 퇴적물 정화 방법 중 저생 미생물 연료전지(BMFC)는 생물학적 정화방법의 하나이면서 바다나 호수의 뻘 속에 미생물을 이용해 생물학적으로 분해 가능한 유기물로부터 전기를 생산하는 공정이다. 뻘 속에서 미생물이 번식하고 효소가 유기물질을 분해하여 생성된 수소이온이 anode에서 cathode로 이동하고, 산소를 공급해주면 환원반응이 일어난다. BMFC는 폐수처리와 재생에너지의 생산 이외에도 퇴적물을 이용한 미생물 연료전지, 생물환경정화기술 등 여러 분야에서 적용 될 수 있다. 본 연구에서는 폐유기물을 분해하는 BMFC의 성능을 향상시키기 위해 첨가해야 할 성분들과 건조 주기 영향에 대해서 연구하였다. 첨가 성분들은 N, P, Na, K, Vitamins 등을 검토하였다. 건조주기는 No Drying과 1 Day-Drying로 진행하였으며, 유기폐기물 (박력분4%) 갯벌 혼합물에서 첨가 종류에 따라 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 건조 조건에서는 1일 건조, 첨가 종류에 따라서는 Vitamin이 높은 성능을 나타내었다.