알칼리 연료전지용 라니니켈 수소극에서 카본블랙의 첨가

조장호,이상곤,조원일,김영채,이성철,이주성,문세기 ( Jang Ho Jo,Sang Gon Lee,Won Il Cho,Young Chai Kim,Sung Chul Yi,Ju Seong Lee,Sei Ki Moon ) 한국공업화학회 1997 공업화학 Vol.8 No.6

알칼리형 연료전지용 라니니켈 수소극에서 카본블랙이 전극 성능 및 촉매층 구조에 미치는 영향을 전기화학적 방법과 질소 흡착법 등을 이용하여 조사되었다. 본 연구에서 라니니켈 수소극 촉매층의 최적 카본블랙 함량은 2wt% 였다. 카본블랙의 첨가는 한계전류밀도를 증가시켰으며, 이는 기액접촉면적의 증가에 기인한 것으로 사료된다. 또한 한계전류밀도에서의 속도결정단계는 수소가 기액접촉면에서 녹는 단계일 가능성이 높은 것으로 조사되었다. The effects of carbon black on the electrodes performance and on the structure of the catalyst layer in Raney nickel hydrogen electrodes for alkaline fuel cells were investigated by using electrochemical and nitrogen adsorption methods. The optimum content of carbon black in the catalyst layer of Raney nickel hydrogen electrode was 2wt%. The limiting current density was increased by the addition of carbon black due to the enlargement of gas-liquid interface area. The rate determining step at the limiting current density was supposed to be a step where hydrogen dissolves at gas-liquid interfaces.

알칼리형 연료전지에서의 산소극 제조

문세기,김형진,공성호,조장호,김영채 한양대학교 에너지·환경기술연구소 1997 에너지·環境技術論文集 Vol.3 No.-

알칼리형 연료전지(Alkaline fuel Cell, 이하 AFC)의 산소극에 사용되는 촉매를 은 염의 화학적 환원법으로 제조하였다. 그리고 최적의 전극 제조 조건을 찾기 위해 촉매의 loading량, 전극 소결 온도, PTFE함량 및 촉매 입자 크기 등이 전극의 분극특성에 미치는 영향들이 조사되었다. 연구결과에 의하면, 최적 조건은 전극 소결 온도 350℃, PTFE 함량 9wt%, 촉매의 입자크기 68㎛ 이하이었다. 한편 촉매 loading량이 증가함에 따라 전극 성능이 향상되었다. 최적의 제조 조건에서 제작된 전극은 개회로 전위 1.11V(vs. RHE),200㎷ 분극(전극전위 0.91V vs. RHE)시 전류밀도 약 0.4A/㎠,300㎷ 분극 (전극전위 0.81V vs. RHE)시 전류밀도 1.0A/㎠의 성능을 나타내었다. Doped silver catalyst used for oxygen electrode in alkaline fuel cells was prepared by reduction method of silver salt. And the effects of the silver catalyst loading, electrode sintering temperature, content of PTFE and particle size of the catalyst on the polarization characteristics of the oxygen electrodes were investigated to find the optimum preparation conditions of the electrodes. According to the results of this work, the optimum conditions were sintering temperature of 350℃, PTFE content of 9 wt% and below catalyst particle size of 68 ㎛. On the other hand, with increasing the catalyst loading, the electrode performance was improved. The electrode prepared at the optimum conditions showed open circuit potential of 1.11V(vs.RHE), current density of 0.4A/㎠ at a overpotential of 200㎷ and 1.0A/㎠ at a overpotential of 300㎷.

알칼리 연료전지용 라니니켈 수소극에서 촉매층 두께 효과의 수학적 모델링

이성철,문세기,조장호 한국화학공학회 1997 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.35 No.6

알칼리 연료전지용 라니니켈 수소극의 수학적 모델링을 통매 촉매층내에서 실험적으로 측정이 불가능한 전해질 농도, 국부 과전압 및 국부 전류밀도의 분포를 조사하였다. 또, 촉대층 두께가 달라질 때 미세 기공도 및 교환전류밀도가 전극 성능에 미치는 영향에 대해서도 연구하였다. 연구 결과, 전해질 면과 가스층 면에서의 전해질의 농도 및 국부 과전압, 국부 전류밀도의 차이는 촉매층의 두께가 두꺼울수록, 과전압이 클수록 커졌다. 그리고 전해질 면에 가까울수록 촉매층내에서 반응속도는 증가하였으며 촉매층의 두께가 두꺼울 때 전류는 주로 전해질 면에 가까운 영역에서 생성되었다. 촉매층 두께가 약 0.1㎜이하일 때 촉매층의 미세 기공도는 전극 성능에 거의 영향을 미치지 않았으나, 촉매층 두께가 두꺼울수록 전극 성능을 더욱 증가시켰다. 교환전류밀도의 증가는 활성 두께를 감소시켰으나, 촉매층 두께에 상관없이 전극 성능을 증가시켰다. Through a mathematical modeling of Raney nickel hydrogen electrodes for AFCs, the distributions of electrolyte concentration, local overpotential and local current density in the catalyst layer, which are not experimentally measurable, were investigated. Also, we have studied the effects of microporosity and exchange current density on the electrode performance at the various thicknesses of catalyst layer. The results showed that the difference of the electrolyte concentration, the local overpotential and the local current density between electrolyte side and gas diffusion layer side increased with increase in catalyst layer thickness and overpotential. The closer to the electrolyte side, the more rapid the reaction rate in the catalyst layer was. When the thickness of the catalyst layer was thick, most of current generated in the region close to the electrolyte side. When the thickness of the catalyst layer was less than about 0.1 ㎜, the microporosity of the catalyst layer had little effects on the electrode performance. However, as the thickness increased, it increased electrode performance. An increase in exchange current density reduced the active thickness. but, increased the electrode performance regardless of the catalyst layer thickness.

알칼리 연료전지용 라니니켈 수소극에서 촉매층의 구조와 촉매 Loading 량의 영향

김형진,문세기,조장호 한국화학공학회 1996 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.34 No.5

성능과 경제적인 측면에서 가장 우수한 연료전지 중의 하나인 알칼리형 연료전지에서는 백금과 같은 귀금속 촉매 대신 비귀금속 촉매가 사용될 수 있다. 라니니켈은 이러한 알칼리형 연료전지 시스템에 적합한 비귀금속 촉매로 잘 알려져 잇다. 본 연구에서는 촉매 loading 량이 분극특성에 미치는 영향과 라니니켈 수소극의 촉매층 구조에 대해 알아보았다. 이 연구를 통해, 촉매 loading량이 105㎎ cat./㎠일 때 100㎷ 과전압에서 전류밀도 270㎃/㎠의 전극 성능을 얻었다. 본 연구의 결과에 의하면, 촉매 loading 량을 증가시킴에 따라 전극의 분극저항은 일정값으로 수렴하였으며, 촉매 이용도는 감소하였다. 또한 한계전류밀도는 촉매 loading 량에 선형적으로 비례하였고, limiting mass activity는 촉매 loading 량에 대해 독립적이었다. 이러한 촉매 loading 량의 영향과 촉매층 구조의 분석으로부터, 이 연구에 사용된 촉매의 미세기공은 OH의 확산에 대한 저항이 큰 구조를 갖고 있는 반면, 본 연구를 통해 촉매층의 거대기공은 기상확산에 대한 저항이 거의 없는 구조를 갖고 있는 것을 알 수 있었다. In alkaline fuel cell, which is one of most excellent fuel cells in performance and economical aspects, non-noble metal catalysts can be used instead of noble metal catalysts like Pt. Raney nickel is well known as a suitable non-noble metal catalyst for this fuel cell system. In the present work, we investigated the effects of the catalyst loading on polarization characteristics and the structure of the catalyst layer of Raney nickel hydrogen electrodes. Through this work, we obtained the electrode performance of current density of 270㎃/㎠ at overpotential 100㎷ when the electrode loaded with a 105 ㎎/㎠ catalyst. According to the results of the present study, with increasing the catalyst loading., the polarization resistance of the electrode converged to constant value and the degree of the catalyst utilization deceased. Also, limiting current density was linearly proportional to the catalyst loading and limiting mass activity was independent of catalyst loading. From these effects of the catalyst loading and the analysis of structure of the catalyst layer, it was found that the micropore of the catalyst used for this study had the structure of which resistance for the OH diffusion is large, on the other hand, the macropore of the catalyst layers prepared through this work had the structure of which resistance for gas-phase diffusion is almost absent.

알칼리형 연료전지의 Raney Ni 수소극 성능

김형진,조정윤,문세기,조장호 한국화학공학회 1994 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.32 No.6

Raney Ni 촉매와 PTFE 분말을 사용하여 반혐수성 이층구조의 다공성 수소전극을 제작하여 분극특성을 조사하였다. 촉매층의 최적 PTFE 분말 첨가량은 25 wt%였다. Ni 전극에 비해 Raney Ni 전극의 성능은 월등히 뛰어났고, dopant가 첨가되지 않은 Raney Ni 전극들의 성능은 비슷하였다. Raney Ni 촉매제조시 dopant로써 Mo을 9 wt% 첨가함으로써 촉매활성을 향상시킬 수 있었으며 이 촉매로 제작한 전극은 비교적 안정한 전극성능을 나타내었다. 범람응집모델에 적합하도록 전극구조를 개선하여 전극성능을 향상시킬 수 있었는데, 촉매층 제작의 적절한 조건은 발수처리된 촉매분말과 미 발수처리된 촉매분말의 비가 5:1일 때가 적당하였다. The polarization characteristics of semihydrophobic double-layered porous hydrogen electrode manufactured with Raney Ni and PTFE powder was investigated. The optimum PTFE powder content in the catalyst layer was 25 wt%. Compared the electrode performance of Raney Ni with Ni, the former was by far better than the latter. There was little electrode performance difference among various Raney Ni electrodes without dopant. The activity of Raney Ni was improved by adding 9 wt% Mo power as dopant, and the electrode composed of this catalyst showed relatively a stable electrode performance. It was possible to improve the anodic performance of Raney Ni electrode by modifying the electrode structure according to the flooded agglomerate model. The preferred condition for the preparation of Raney Ni catalyst layer was mixing the water repellent catalyst with non-treated hydrophilic catalyst at the ratio of 5 to 1.

알칼리 연료전지용 라니니켈 수소극에 미치는 PTFE 의 영향

이성철,김영채,이상곤,문세기,조장호 한국화학공학회 1998 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.36 No.6