비담지 Co-B, Co-P-B 촉매를 이용한 NaBH4 가수분해 반응

오성준 ( Sung June Oh ),정현승 ( Hyeon Seong Jung ),정재진 ( Jae Jin Jeong ),나일채 ( Il Chai Na ),안호근 ( Ho Geun Ahn ),박권필 ( Kwon Pil Park ) 한국화학공학회 2015 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.53 No.1

휴대용 고분자전해질 연료전지의 수소발생용으로써 NaBH4는 많은 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 비담지 Co-B, Co-P-B 촉매의 NaBH4 가수분해 특성에 대해 연구하였다. 촉매의 BET 표면적, 수소 수율, NaBH4 농도 영향, 촉매 내구성 등을 실험하였다. 비담지 Co-B 촉매의 BET 표면적은 75.7 m2/g으로 FeCrAlloy에 담지한 Co-B 촉매에 비해 BET면적이 18배 높았다. 회분식 반응기에서 비담지 촉매들은 NaBH4 20~25 wt% 사용조건에서 97.6~98.5%의 높은 수소 수율을 보였다. NaBH4 농도가 30 wt%로 증가하면서 수소수율은 95.3~97.0%로 감소하였다. 비담지 촉매의 촉매 손실 율은 FeCrAlloy에 담지 촉매에 비해 낮았으며, NaBH4 농도가 증가하면서 촉매 손실율도 증가하였다. 연속 반응기에서1.2 g 비담지 Co-P-B 촉매를 사용해서 약 3ℓ/min 발생속도로 가수분해 반응하여 90%의 수소 수율을 얻었다. Sodium borohydride, NaBH4, shows a number of advantages as hydrogen source for portable proton exchange membrane fuel cells(PEMFCs). Properties of NaBH4 hydrolysis reaction using unsupported Co-B, Co-P-B catalyst were studied. BET surface area of catalyst, yield of hydrogen, effect of NaBH4 concentration and durability of catalyst were measured. The BET surface area of unsupported Co-B catalyst was 75.7 m2/g and this value was 18 times higher than that of FeCrAlloy supported Co-B catalyst. The hydrogen yield of NaBH4 hydrolysis reaction by unsupported catalysts using 20~25 wt% NaBH4 solution was 97.6~98.5% in batch reactor. The hydrogen yield decrease to 95.3~97.0% as the concentration of NaBH4 solution increase to 30 wt%. The loss of unsupported catalyst was less than that of FeCrAlloy supported catalyst during NaBH4 hydrolysis reaction and the loss increased with increasing of NaBH4 concentration. In continuous reactor, hydrogen yield of NaBH4 hydrolysis was 90% using 1.2 g of unsupported Co-P-B catalyst with 3ℓ/min hydrogen generation rate.

바나듐 레독스 흐름전지용 Poly(arylene ether sulfone) 막의 특성

오성준 ( Sung June Oh ),정재현 ( Jae Hyeon Jeong ),신용철 ( Yong Cheol Shin ),이무석 ( Moo Seok Lee ),이동훈 ( Dong Hoon Lee ),추천호 ( Cheun Ho Chu ),김영숙 ( Young Sook Kim ),박권필 ( Kwon Pil Park ) 한국화학공학회 2013 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.51 No.6

최근에 대용량 에너지 저장 시스템으로 레독스 흐름전지(Redox Flow Battery, RFB)가 활발히 연구·개발되고 있다. 불소계막을 대신할 저가의 탄화수소막이 RFB막으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 Poly(arylene ether sulfone) (PAES)막을 사용해 고가의 불소계막과 그 특성을 바나듐 레독스 흐름전지(VRB, Vanadium Redox Flow Battery)조건에서 비교하였다. 바나듐 이온투과도, 이온 교환 용량, OCV 변화, 팽윤, 충·방전 곡선, 에너지 효율 등을 측정했다. PAES 막은 Nafion 117막에 비해 바나듐 이온투과도가 낮고, 이온교환용량은 커서 Nafion 117을 사용한 RFB보다 에너지 효율이 높았다. Recently, there are many efforts focused on development of Redox Flow Battery (RFB) for large energy storage system. Economical hydrocarbon membranes alternative to fluorinated membranes for RFB membrane are receiving attention. In this study, characteristics of poly(arylene ether sulfone) (PAES) were compared with expensive fluorinated membrane at VRB (Vanadium Redox Flow Battery) operation condition. Permeability of vanadium ion through membrane, ion exchange capacity (IEC), change of OCV, swelling, charge-discharge curves and energy efficiency were measured. PAES membrane showed lower permeability of vanadium ion, higher IEC and then higher energy efficiency compared with Nafion 117 membranes.

NaBH4 가수분해 반응기 소재로서 알루미늄 합금의 특성 연구

정현승 ( Hyeon Seong Jung ),오성준 ( Sung June Oh ),정재진 ( Jae Jin Jeong ),나일채 ( Il Chai Na ),추천호 ( Cheun Ho Chu ),박권필 ( Kwon Pil Park ) 한국화학공학회 2015 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.53 No.6

NaBH4 가수 분해용 경량반응기의 재질로서 알루미늄 합금을 검토하였다. 알루미늄은 알칼리에 용해되는데, NaBH4반응 용액중에 안정화제로 NaOH가 포함되어 있다. 알루미늄의 부식 속도를 낮추기 위해서 NaOH 농도를 낮추면 저장중에 NaBH4가 손실된다. 그래서 최적의 NaOH 농도를 결정할 때 알루미늄 부식과 NaBH4 안정화를 모두 고려해야한다. NaBH4 안정화와 알루미늄 부식속도는 수소발생속도에 의해 측정하였다. NaBH4 안정화는 20~50 oC에서 알루미늄 부식속도는 60~90 oC 온도에서 실험하였다. 알루미늄 부식과 NaBH4 안정화를 모두 고려한 최적의 NaOH농도는 0.30 wt% 였다. 알루미늄 합금 6061를 사용해 반응기 온도 80~90 oC에서 NaOH 0.3 wt%로 200분간 반응을 진행하였다. Aluminum alloy was examined as a material of low weight reactor for hydrolysis of NaBH4. Aluminum is dissolved with alkali, but there is NaOH as a stabilizer in NaBH4 solution. To decrease corrosion rate of aluminum, decrease NaOH concentration and this result in loss of NaBH4 during storage of NaBH4 solution. Therefore stability of NaBH4 and corrosion of aluminum should be considered in determining the optimum NaOH concentration. NaBH4 stability and corrosion rate of aluminum were measured by hydrogen evolution rate. NaBH4 stability was tested at 20~50 oC and aluminum corrosion was measured at 60~90 oC. The optimum concentration of NaOH was 0.3 wt%, considering both NaBH4 stability and aluminun corrosion. NaBH4 hydrolysis reaction continued 200min in aluminum No 6061 alloy reactor with 0.3 wt% NaOH at 80~90 oC.

고분자전해질 연료전지의 성능에 미치는 습도와 플러딩의 영향

황병찬 ( Byungchan Hwang ),정회범 ( Hoi-bum Chung ),송명현 ( Myung-hyun Song ),오성준 ( Sung-june Oh ),나일채 ( Il-chai Na ),박권필 ( Kwonpil Park ) 한국화학공학회 2017 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.55 No.3

고분자전해질 연료전지에서 습도는 성능과 내구성에 많은 영향을 준다. 습도가 높아지면 일반적으로 성능이 향상되는데 높은 습도는 플러딩을 발생시킬 위험성도 있다. 미세 유로셀에서 상대습도를 변화시키며 I-V곡선, LSV, 사이클로 볼타메트리(CV), 임피던스을 측정했다. 70%이상에서 플러딩 현상이 발생함을 확인했다. 고분자막의 이온전도도는 상대습도 80%에서 최고값에 도달했고, 전극의 활성은 플러딩 후에도 상대습도 증가에 따라 상승했다. 상대습도 80%에서 최고 성능 1,700 mA/㎠(@0.6 V)을 얻었다. 상대습도 80%에서 플러딩에 의해 물질전달이 방해 받는 것에 비해 막의 이온전도도 향상이 성능에 더 큰 영향을 줌을 보였다. Humidity affect performance and durability of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). High humidity of gases generally enhance the performance, but high humidity have the danger of flooding. I-V performance, linear sweep voltammetry, cyclo voltammetry, and impedance of micro-channel cell measured with change of relative humidity (RH). Flooding phenomena started at RH 70%. Ion conductivity of membrane reached maximum value at RH 80%. Maximum current density of 1,700 mA/㎠ (at 0.6 V) was obtained at RH 80%. Therefore the effect of ion conductivity increasement was higher than that of mass transfer decrease by flooding at RH 80%.

고분자 전해질 연료전지에서 sPEEK 막을 이용한 전극과 막 합체(MEA)의 열화에 관한 연구

이혜리 ( Hye-ri Lee ),이세훈 ( Se-hoon Lee ),황병찬 ( Byung-chan Hwang ),나일채 ( Il-chai Na ),이정훈 ( Jung-hun Lee ),오성준 ( Sung-june Oh ),박권필 ( Kwon-pil Park ) 한국화학공학회 2016 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.54 No.3

최근에 저가의 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC)용 비불소계 전해질 막 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 sulfonated Poly (ether ether ketone) (sPEEK) MEA 내구성을 시험하기 위해 열화 가속화 기법을 이용하여 막과 전극이 동시에 열화되는 MEA 열화 실험을 진행하였다. 열화 전과 후에 I-V분극곡선, 수소투과도, 전극 활성 면적, 막 저항과 부하 전달 저항을 측정하여 열화 전과 후를 비교하였다. sPEEK 막의 수소 투과도는 낮았지만, 저가습 OCV 조건에서 발생하는 라디칼에 Nafion과 같은 불소계막보다 sPEEK 막이 약했다. MEA 열화 실험 결과 144시간 후와 271시간 후 성능이 각각 15%와 65% 감소하였다. 144이후 급격한 성능감소의 주요인은 막에 발생한 핀홀의 Pt/C 입자에 의한 shorting 현상이라고 본다. Recently, there are many efforts focused on development of more economical non-fluorinated membranes for PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In this study, to test the durability of sPEEK MEA (Membrane and Electrode Assembly), ADT (Accelerated Degradation Test) of MEA degradation was done at the condition that membrane and electrode were degraded simultaneously. Before and after degradation, I-V polarization curve, hydrogen crossover, electrochemical surface area, membrane resistance and charge transfer resistance were measured. Although the permeability of hydrogen through sPEEK membrane was low, sPEEK membrane was weaker to radical evolved at low humidity and OCV condition than fluorinated membrane such as Nafion. Performance after MEA degradation for 144 hours and 271 hours were reduced by 15% and 65%, respectively. It was showed that the main cause of rapid decrease of performance after 144 hours was shorting due to Pt/C particles in the pinholes.

sPEEK 막으로 제조한 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 막전극합체(MEA)의 특성

이혜리 ( Hye-ri Lee ),이세훈 ( Se-hoon Lee ),황병찬 ( Byung-chan Hwang ),나일채 ( Il-chai Na ),이정훈 ( Jung-hun Lee ),오성준 ( Sung-june Oh ),박권필 ( Kwon-pil Park ) 한국화학공학회 2016 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.54 No.2

최근에 저가의 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC)용 비불소계 전해질 막 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 sulfonated Poly(ether ether ketone)(sPEEK)막의 특성을 술폰화도, 상대습도, 단위 전지 온도에 따라 PEMFC 운전 조건에서 비교하였다. I-V 분극곡선, 수소투과도, 전기화학적 표면적, 막 저항 및 부하 전달 저항 등을 측정·분석했다. 술폰화도와 온도, 상대습도가 높을수록 성능이 높았으며, 특히 낮은 슬폰화도와 낮은 상대습도에서 이온 전도도 감소 때문에 성능이 큰 폭으로 감소함을 확인하였다. Recently, there are many efforts focused on development of more economical non-fluorinated membranes for use in PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In this study, characteristics of sulfonated Poly(ether ether ketone) (sPEEK) were compared according to degrees of sulfonation (DS), relative humidity, cell temperatures at PEMFC operation condition. I-V polarization curve, hydrogen crossover, electrochemical surface area, membrane resistance and charge transfer resistance were measured. sPEEK membrane showed high performance at high DS, high temperature and high relative humidity, in particular, performance of sPEEK membrane decreased largely due to low ionic conductivity at low DS and low relative humidity.