2003년 6월 25일 - krnet.or.kr · Web Services 2003년 6월 25일 이 규 철 충남대학교 컴퓨터공학과 [email protected]
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School of Chemistry, Seoul National University
• PAFC (phosphor ic ac id fue l ce l l )
• PEMFC (po lymer e lect ro ly te
membrane fuel ce l l )
• DMFC (direct methanol fuel cel l )
q Research fields
Fuel Cell Catalysts
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School of Chemistry, Seoul National University
Preparation
•Preparation of cathode alloy catalyst
Pt-(Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu)
•Preparation of anode alloy catalyst
Pt-(Ru, Mo, Sn, W)
Characterization
EDX, EPMA
XRD
CV, CO stripping
XPS
XAS
TEM
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 - 0 . 2
40
0
I /µA
cm-2
E /V vs. SCE
P t R u / C
P t / C ( E - T E K )
0
30 40 50 60 70 80 90
Pt6CoCr 900
Pt 3Cr 900
I n t
e n
s i t
y /
a.
u.
2 - T h e t a / d e g r e e
Pt6CuFe 900
66 68 70 72 74 76 78 80
Binding energy / eV
Inte
nsit
y / a
. u. Pt1Cr-11
Pt1Cr-7
(a)
Preparation and Characterization of the Alloy catalyst
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Finding the Best Electrocatalyst and Mechanism Study
v EXAFS(Extended x-ray absorption fine structure) : physical environment to a radius of about 10Å or less. ex) individual bond distance and coordination numbers of solid crystalline
v XANES(X-ray absorption near-edge structure) : electronic structure of absorbing atom
0 2 4 60
2
4
6
8
10
FT m
agnit
ude
R (Å)
data fit
Pt-C
Pt-Pt
-20 -10 0 10 20 300.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
Pt/C
Ar
H2 CO
norm
alize
d ab
sorp
tion
normalized energy (eV)
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0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 00
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
8 0 0
9 0 0
1 0 0 0
1 1 0 0
P t / C
P t1
C r - 7
P t 1 C r - 9
P t 1 C r - 1 1
P t3
C r - 7
P t 3 C r - 9
P t 3 C r - 1 1
C u r r e n t d e n s i t y / m A c m - 2
Po
te
nt
ia
l /
mV
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 00
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
Sp
ec
ific
ac
tiv
ity
/
µA
cm-2
Pt
S u r f a c e a r e a / m2
g-1
P t
P t
P t - F e
S P t - F e
P t - C r
S P t - C r
P t - C o
S P t - C o
P t - T i
P t - C u - F e
P t - C r - N i• PAFC; half-cell test
• PEMFC; Unit-cell test
• DMFC; Unit-cell test
- Relationship between surface area and specific activity
- I-V polarization curves of PtCr alloy catalysts
- Power density curves of PtRu unsupported catalysts0 200 400 600 800 1000
100
200
300
400
500
600
700
800
900
C 3bar/A 0bar C 2bar/A 0bar C 1bar/A 0bar C 0bar/A 0bar
Cel
l P
oten
tial
/ m
V
Current Density/ mAcm -2
0
50
100
150
200
Pow
er Density/ m
Wcm -2
Performance test
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연료전지란?
v 연료전지는 연료의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는
전지(Cell)로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속
적으로 전기를 생산한다.
Fuel Cell
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• 1839 : W.R. Grove(영), 개념 발명• 1952 : F.T. Bacon(미), 특허• 1960년대 : 제미니 계획, 아폴로 계획에 AFC 적용• 1970년대 : PAFC 개발• 1980년대 : PEMFC 개발• 1990년대 : DMFC 개발, MCFC 발전 시작, SOFC 발전소 개발• 2003년~ : 양산 연료전지 자동차 시판• 2004년~ : DMFC 채용 PDA, 노트북 컴퓨터 시판(?)
연료전지의 역사와 미래
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1839년 Grove의 Fuel Cell 개념도
제미니 , 아폴로 우주선에탑재된 연료전지
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연료전지의 장점
v 열역학적 효율의 지배를 받지 않으므로 역학적 에너지나 연료의 연소에 의한 열에너지
를 이용한 발전기에 비해 매우 높은 에너지 효율을 갖는다 .
v 환경오염이 적다.
v 화석연료 의존성이 작다.
v 다양한 용량과 사이즈로 제작이 가능하여 응용범위가 넓다 .
v 이동이 자유롭다 .(설치 장소의 제한이 없다 )
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연료전지 실용화에의 문제점
v 큰 설치비용등 경제성 문제
v Li ion 전지등 2차전지와의 경쟁
v 이론적으로 150여년 , 우주계획에 사용된 지 40여년이 지났는데도 여전히 실용화되지
못한 기술적 어려움 .
v 운송 수단에 응용되기 위해선 수소 공급 인프라 구축이 필요하다.
연료전지 실용화 전망
v 환경문제의 대두로 청정 에너지원으로 주목됨
v 화석 연료 고갈에 대비한 대체에너지
v mobile 기기의 보급에 따른 이동 전원 시장의 팽창
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연료전지의 종류
고온형 연료전지 : 용융탄산염형 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)
고체산화물형 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
저온형 연료전지 : 알칼리전해질형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)
인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)
고분자전해질막형 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane
Fuel Cell, PEMFC)
직접메탄올형 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)
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Power Plant
Power Plant
특수목적(우주, 군사)
Electric Powered Vehicles, Mobile Electronic Appliances
Electric Powered Vehicles,Residential Power Generation
Small Power Plant
적용대상
니켈/Zirconiacermet
700 ~1000 ℃
Yttria-stabilized zirconia(고체)
천연가스
석탄가스
SOFC
니켈 또는 니켈화합물
600 ~700 ℃
Lithium or potassium carbonate(액체)
천연가스
석탄가스
MCFC고온형
platinum on carbon
상온 ~ 100 ℃
수산화칼륨(액체)수소AFC
Pt-Ru or Pt/C상온 ~ 130 ℃
고분자전해질
(이온전도성 )메탄올DMFC
Pt-Ru or Pt/C 85-100 ℃고분자전해질(이온전도성 )
수소PEMFC
platinum on PTFE/carbon
190 ℃인산(액체)수소PAFC저온형
촉매발전온도전해질주연료종류대분류
연료전지의 종류
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PEMFC/DMFC 개발의 중요성
에너지밀도
경제성
온도의존성
경박단소화
수소저장 또는 개질기술.
수소공급인프라
난점
DMFC(상온형)기술개발단계.
선진국에서 일부시제품 개발.
사용시간이 길것휴대용전자기기
PEMFC,
DMFC
major 급 자동차회사 대부분이2005년 양산을목표로 개발중.
Zero-emission
충전시간이 없는 전기모터구동자동차
화석연료고갈
자동차
해당기술현재상황필요성적용대상
PEMFC/DMFC의 기술개발요소
v 합금촉매 개발 : 로딩량 절감 , 촉매활성 증대
v 고분자전해질막 개발 : 높은 이온전도도 , 적은 crossover.
v Membrane-Electrode Assembly (MEA) 제작기술
v Stack 제작기술 및 제어기술등 .
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Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)
Anode reaction : H2 → 2H+ + 2e-
Cathode reaction : ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Overall reaction : H2 + ½ O2 → H2O E0 = 1.214 V vs. RHE
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• 고체전해질막(Nafion등)사용• 높은 에너지 밀도, 상대적으로 빠른 start-up 시간• Zero-emission• 부하 변화에 강하다
• 고체전해질막과 백금 촉매의 가격이 비쌈• 수소 공급 인프라 구축 이전엔 개질기(reformer)를 사용해야함• CO poisoning
PEMFC의 장점
PEMFC의 단점
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Ballard 220 kW급PEMFC RPG.
Applications of PEMFC
Ballard연료전지 자동차용PEMFC stack
DaimlerChrysler 연료전지 컨셉트카necar
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Anode reaction : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
Cathode reaction : 3/2O2 + 6H+ + 6e- → H2O
Overall reaction : CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O, E0 = 1.214 V vs. RHE
Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)
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• 액체 연료 사용으로 연료 저장이 쉽고 소형화가 가능하다.• 개질기가 필요없음.• 연료 공급 인프라 구축이 쉽다.• 작동온도가 낮아 상온에서도 사용가능하다.
• PEMFC에 비해 낮은 성능• 많은 양의 촉매를 필요로 함 à 원가 상승
• CO poisoning 의 영향을 크게 받음.• 가장 최근에 개발되기 시작한 형태의 연료전지임.
DMFC의 장점
DMFC의 단점
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Applications of DMFC