| 초록 |
1.분석자 서문 환경오염, 화석연료의 고갈 등의 문제로 인하여 새로운 대체에너지 개발이 중요한 이슈로 대두되고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 하나의 대안으로 수소에너지가 주목받고 있는 상황이다. 이러한 수소를 제조하는 방법으로서 물을 분해하는 방법인 수전해법이 유망한 기술로 대두되고 있으며 고분자전해질을 이용한 수전해의 경우 다양한 장점이 있어 최근 많은 주목을 받고 있다. 본 논문에서는 최근 주목을 받고 있는 고분자전해질 수전해에 사용되는 구성 요소들의 열화 메커니즘에 대해 이해하고 및 회피 전략을 제시하였다. 이를 통해 고분자전해질 수전해의 장기 성능 확보 및 상업화에 이바지함으로써 향후 환경, 에너지 문제를 해결하는 데 초석이 되는 자료가 될 것이라 생각된다. 2. 목차 1. 개요 2. 촉매 및 촉매층의 열화 2.1. 촉매의 용해 2.2. 금속 양이온 피독 2.3. 촉매 뭉침 / 이동 2.4. 촉매 지지체의 산화 2.5. 촉매 및 촉매층 열화 회피 방안 3. 양이온교환막의 열화 3.1. 물리적 열화 3.2. 화학적 열화 3.3. 양이온교환막 열화 회피 방안 4. 분리판의 열화 4.1. 수소취화 및 부동태화 4.2. 부식 4.3. 분리판 열화 회피 방안 5. 집전체의 열화 5.1. 열화 5.2. 집전체 열화 회피 방안 6. 가속 테스트 조건 7. 분석자 결론 PEMWE는 수소를 생산하기 위한 하나의 방안으로서 다양한 장점들 때문에 최근 각광을 받고 있다. 하지만 내구성, 가격, 그리고 신뢰도 측면에서 아직 개선해야 하는 부분들이 많이 남아 있는 상황이다. 특히 내구성의 경우에는 산업계의 수요를 충족하기 위해서 반드시 향상시켜야 하는 문제로 생각된다. 이러한 관점에서 본 보고서에서는 PEMWE의 각 구성 요소들에 대한 열화 메커니즘 및 회피 방안에 대해서 고찰하였다. PEMWE에 사용되는 촉매의 경우에는 가혹한 분위기(산성, 높은 산화전위 등)에서도 견딜 수 있는 귀금속 종류가 많이 사용되는데, 촉매의 용해, 뭉침, 피독 등과 같은 현상으로 인해 활성을 잃는 것으로 파악되고 있다. 이를 해결하기 위해서 다른 금속들과의 합금이나 산화 조건을 견딜 수 있는 고안정성의 지지체를 활용하는 방안이 고려될 수 있다. 또한 촉매 자체의 활성을 유지하는 것도 중요할 수 있지만 이외에도 촉매층을 어떻게 구성하고 PEMWE 가동 중에도 잘 유지할 수 있는지에 대한 고찰이 필요하다. 양이온교환막의 경우에는 강화복합막을 개발함으로써 현재 나타나는 문제들을 해결하고자 하고 있는 상황이다. 하지만 실제 PEMWE 구동을 통해 장기 내구성이 확보되었다고 평가할 수 있는 양이온교환막을 개발하기까지는 시간이 많이 필요해 보인다. 이외에도 BP 및 집전체의 경우에는 가공이 편리하고 전기전도도가 높은 기재에 부식성을 향상시키기 위해 코팅을 함으로써 내구성 확보가 가능할 것으로 판단되고 이를 위한 코팅 방법 개선 및 소재 탐색이 진행되고 있는 상황이라고 여겨진다. 이와 같이 PEMWE에 대한 많은 연구가 진행되고 있지만 현재로서는 알칼라인 수전해에 비하면 초기 단계에 머물러 있는 상황이다. 따라서 PEMWE 에 대한 연구가 앞으로 더욱 많이 진행될 필요가 있다. 특히 상업화를 위해 PEMWE에 사용되는 소재들의 가격경쟁력을 확보할 필요가 있으며 지금까지와는 다르게 실제 운전 조건에서의 가동을 통한 평가가 필요하다고 여겨진다. 또한 표준화된 테스트 조건을 확립함으로써 각 소재들에 대한 정교한 평가 및 이해 증진이 필요하다. 이와 같이 기존 소재에 대한 열화 메커니즘 이해를 통한 이의 회피방안을 설립함으로써 각 구성요소들의 가격경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 이와 더불어 밝혀진 열화 메커니즘에 대한 저항성이 높은 소재에 대한 개발도 끊임없이 노력할 필요가 있을 것으로 보인다. 특히 예전에는 산화안정성이 떨어져 PEMWE에 사용하기 힘들다는 판단이 내려졌던 탄소 소재의 경우에도 최근 다양한 연구결과들을 통해 산화 안정성 확보가 가능하다는 보고들이 이루어지고 있기에 새로운 관점을 가지고 다시한번 적용 가능성을 확인해 볼 필요도 있다고 판단된다. 이러한 여러 방향의 접근들을 통해 PEMWE의 상업화를 조속히 달성함으로써 에너지 문제를 어느정도 해소할수 있기를 기대해 본다. References 1. Qi Feng, Xiao-Zi Yuan, Gaoyang Liu, Bing Wei, Zhen Zhang, Hui Li, and Haijiang Wang, A review of proton exchange membrane water electrolysis on degradation mechanisms and mitigation strategies, Journal of Power Sources, 2017. 2. Kinoshita Kim, Electrochemical oxygen technology, Wiley, 1992. 3. Sehkyu Park, Yuyan Shao, Jun Liu, and Yong Wang, Oxygen electrocatalysts for water electrolyzers and reversible fuel cells: status and perspective, Energy Environmental Science, 2012. 4. Albert Albert, Tim Lochner, Thomas J. Schmidt, and L. Gubler, Stability and Degradation Mechanisms of Radiation-Grafted Polymer Electrolyte Membranes for Water Electrolysis, ACS Applied Materials Interfaces, 2016. 5. Sehkyu Park, Yuyan Shao, Haiying Wan, Vilayanur V. Viswanathan, Silas A. Towne, Peter C. Rieke, Jun Liu, and Yong Wang, Degradation of the Ionic Pathway in a PEM Fuel Cell Cathode, Journal of Physical Chemistry C, 2011. 6. Yachao Zeng, Xiaoqian Guo, Zhigang Shao, Hongmei Yu, Wei Song, Zhiqiang Wang, Hongjie Zhang, and Baolian Yi, A cost-effective nanoporous ultrathin film electrode based on nanoporous gold/IrO2 composite for proton exchange membrane water electrolysis, Journal of Power Sources, 2017. 7. K. E. Ayers, E. B. Anderson, C. B. Capuano, B. D. Carter, L. T. Dalton, G. Hanlon, J. Manco, and M. Niedzwiecki, Research Advances Towards Low Cost, High Efficiency PEM Electrolysis, 2010. 8. M. D. Abu Sayeed, Hee Jin Kim, Younjin Park, A. I. Gopalan, Young Ho Kim, Kwang-Pill Lee, and Sang-June Choi, Sulfated Titania ndash;Silica Reinforced Nafion? Nanocomposite Membranes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2015. 9, Ugljesa Babica, Michel Suermanna, Felix N. BUchia, Lorenz Gublera, and Thomas J. Schmidt, Critical Review mdash;Identifying Critical Gaps for Polymer Electrolyte Water Electrolysis Development, Journal of The Electrochemical Society, 2017. 10. R. Petrone, D. Hissel, M.C. Pera |
