대기압 RF Plasma 방법을 이용한 고분자막의 귀금속 촉매코팅과 전기화학적 특성 연구
Electrochemical Performance of Noble Metal Catalyst Coated on Polymer Membrane Surface by Atmospheric Pressure RF Plasma Method
- 주제(키워드) 대기압 플라즈마 , 고분자 전해질 연료전지 , 친환경 , PEMFC , DMFC
- 주제(KDC) 430
- 주제(DDC) 540
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이웅무
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
연료전지는 기존의 기계적 엔진보다 높은 에너지 효율과 친환경적이라는 장점에 의하여 많은 연구가 진행 중이다. 그러나 상용화를 위해서는 낮은 가격과 성능의 향상이 더욱 요구되고 있다. 특히 연료전지에 사용되는 고가의 귀금속 촉매의 사용량을 줄이면서도 높은 성능을 가지는 촉매 제조법 및 처리방법 개발이 매우 필요하다. 최근 본 연구실에서는 대기압 수소 플라즈마 방법으로 PdCl₂ 가 Pd로 환원됨을 확인하였고 본 연구에서는 이를 바탕으로 PtCl₄ , PtCl₄ / RuCl₃ 와 PtO₂/RuO₂ 으로 선구물질을 변화시켜 가며 기존의 촉매 제조 및 처리법의 복잡한 공정을 대체하는 연구를 하였다. 이 방법을 이용하여 Pd 또는 Pt 촉매가 코팅된 전해질막(catalysts coated membrane)을 제조 할 수 있었으며, 또한 Pt의 경우 촉매의 활용률을 증가시키기 위하여 Nafion 과 촉매가 혼합된 잉크(Nafion carbon isopropyl alcohol, NCI)를 사용하였고 Pt와 NCI를 다층으로 적층하였다. 그러나 PtCl₄ /RuCl₃ 혼합 염화물용액, PtO₂/RuO₂혼합산화물용액을 사용하였을 경우에는 선구체가 잘 환원되지 않음을 확인하였다. 또한 촉매가 코팅된 전해질막을 제조함에 있어 전해질막(Nafion) 표면에 촉매가 고르게 입혀지도록 전해질막의 표면을 수소 플라즈마 처리 하여 표면을 친수성으로 만들 수 있었다. 그러나 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell)테스트 결과 성능이 감소하여 본 연구에서는 수소 플라즈마를 먼저 처리한 전해질막을 사용하지 않았으며 수소 플라즈마에 의한 전해질막의 표면변화만을 알아보았다. 대기압 수소 플라즈마에 의해 제조된 촉매의 물리적 특성을 XRD(X-ray diffraction), EDX (Energy Dispersive X-ray spectrum), SEM(Scanning electron microscope)그리고 AFM(Atomic force microscope) 이용하여 분석하였으며 촉매가 코팅된 전해질막(catalysts coated membrane)의 전기화학적 특성은 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell) 와 직접 메탄올 연료전지(Direct methanol fuel cell) 를 이용하여 알아보았다. 결과적으로 대기압 수소 플라즈마를 환원방법 이용하여 만든 Pt를 사용한 고분자 전해질 연료전지는(PEMFC) 높은 성능을 나타내었으나 PtRu 를 사용한 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 경우에는 낮은 성능이 측정 되었다.
more초록/요약
Fuel cells can be attractive power sources due to high energy efficiency and environmental advantages than many mechanical thermal engines. But the cost of noble metal catalysts used on fuel cell electrodes is still formidably high to allow them commercially viable. Furthermore the conventional methods to prepare the catalysts is very cumbersome. Recently our research group has developed atmospheric pressure plasma method to convert PdCl₂ coated on any substrate to Pd film using the hydrogen plasma. We further extended this method to convert PtCl₄, PtCl₄/RuCl₃ and PtO₂/RuO₂ to their pure metal films. Using this method Pd or Pt catalyst can be coated as a film on the surface of Nafion polymer. Their multi-layer film can also be formed on the surface by repetitive plasma reduction of the chlorides mixed with Nafion ionomer and carbon powders. But when PtCl₄ is mixed with RuCl₃, the plasma reduction method failed to produce Pt/Ru film. The plasma reduction method did not work either to reduce PtO₂/RuO₂ to Pt/Ru films. The physical properties of such prepared films were examined using the analytical methods such as XRD (X-ray diffraction), EDX (Energy dispersive X-ray spectroscopy), SEM(Scanning electron microscope) and AFM(Atomic force microscope). Also the electrochemical properties of such prepared CCM(Catalyst coated membrane) were evaluated by measuring i-V curves of PEMFC(Proton exchange membrane fuel cell) and DMFC(Direct methanol fuel cell) unit cell. It was found that such CCM worked cell for PEMFC, but not for DMFC. It was also found that hydrophilic treatment of Nafion by the plasma method did not improve the electrochemical performance of such prepared CCM.
more목차
제 1 장 서론 = 1
1. 연구배경 및 목적 = 1
제 2 장 연구내용 = 3
2-1 플라즈마 = 3
2-2 고분자 전해질 연료전지 = 6
2-3 전극의 화학적 반응 = 7
2-4 전극의 구조적 = 모델8
2-5 연료전지의 일반적인 MEA제작 방법 = 10
제 3 장 실험방법 = 12
3-1 대기압 수소 플라즈마 환원방법을 이용한 촉매의 제조 및 처리방법 = 13
(1) Pd Film 제작 = 14
(2) Pt 촉매 및 전극제조 = 14
(2-1) PtCl₄／RuCl₃ 혼합 염화물 = 16
(2-2) PtO₂／RuO₂ 혼합산화물 = 16
3-2 실험 장치의 구성 = 18
3-3 고분자 전해질의 전처리 = 22
3-4 전극과의 어셈블리 제작 = 24
3-5 연료전지 운전 조건 = 25
3-6 단위전지의 성능 측정 = 26
3-7 EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy) 측정 = 27
3-8 XRD(X-Ray Diffraction) 측정 = 27
3-9 Nafion의 plasma 처리 = 28
3-10 AFM(Atomic force microscope)측정 = 29
3-11 접촉각 측정 = 29
제 4 장 실험결과 및 고찰 = 30
4-1 PdCl₂ 의 플라즈마 처리 = 30
4-2 PtCl₄ 의 플라즈마 처리 = 35
4-3 연료전지 성능 테스트 = 40
4-4 혼합염화물(PtCl₄,RuCl₃/0.1 M HCI)의 플라즈마 처리 = 44
4-5 혼합산화물(PtO₂／RuO₂)의 플라즈마 처리 = 50
4-6 Nafion의 플라즈마 처리 = 53
제 5 장 결론 및 향후 과제 = 59
참고문헌 = 61
Abstract = 64
