This paper provides an overview of the trends and future directions in the development of anode materials for solid oxide fuel cells (SOFCs) using hydrocarbons as fuel, with the aim of enabling a decentralized energy supply. Hydrocarbons (such as natural gas and biogas) offer promising alternatives to traditional energy sources, as their use in SOFCs can help meet the growing demands for energy. We cover several types of materials, including perovskite structures, high-entropy alloys, proton-conducting ceramic materials, anode on-cell catalyst reforming layers, and anode functional layers. In addition, we review the performance and long-term stability of cells based on these anode materials and assess their potential for commercial manufacturing processes. Finally, we present a model for enhancing the applicability of fuel cell-based power generation systems to assist in the realization of the H2 economy as the best practice for enabling distributed energy. Overall, this study highlights the potential of SOFCs to make significant progress toward a sustainable and efficient energy future.
고분자전해질형 연료전지에서 에칭한 Nafion막으로 고분자막/전극 어셈블리를 제조하고 그 성능을 측정하였다. 에칭을 함으로서 고분자막과 전극의 접합이 잘 이루어져 hot pressing 압력과 온도를 낮출 수 있었고, 낮은 온도에서 hot pressing이 이루어짐으로서 전지의 성능을 향상시킬 수 있었다. 어셈블리 제조방법중의 하나인 페인팅 방법에서 에칭 된 Nafion막을 이용하면 전지의 성능이 향상됨을 보였으며, 에칭정도에 따라 적당한 양의 전극촉매를 사용해야 함을 보였다.
직접 메탄올 연료전지는 간단한 구조와 디자인 그리고 높은 에너지 밀도와 에너지 변환 효율등의 장점으로 인하여 휴대용 장치들의 전력원으로 사용된다. 본 논문에서는 직접 메탄올 연료전지의 연료 농도를 감지하기 위한 얇은 나피온 막과 Pt 촉매전극의 합성으로 만들어진 메탄을 센서를 제작하였다. 제작된 메탄을 센서를 사용하여 메탄올 농도와 촉매전극(Pt)의 두께 변화에 따른 전류-전압 특성을 분석하였다. Pt 촉매전극 10nm, 전압이 1V 이고 메탄올 농도 1, 2, 3M일 때 전류 값이 각각 $1.30{\times}10^{-6}A,\;1.96{\times}10^{-6}A,\;2.80{\times}10^{-6} A$ 이었다. 메탄올 농도를 2M로 고정하고 촉매전극의 두께를 5, 10, 15nm로 변화시켰을 때 전류 값은 각각 $3.06{\times}10^{-6}A,\;1.96{\times}10^{-6}A,\;1.00{\times}10^{-6}A$ 이었다. 촉매전극이 얇을수록 전류가 증가하고 전기화학반응이 더 활발히 일어나는 것으로 사료된다.
Methanol electro oxidation on the surface of carbon paste modified by $NiCl_2/6H_2O$ was studied in 1M NaOH by potentiostatic and potentiodynamic methods. Ni/C catalyst by the concentration of 5% Ni showed about twice higher electro catalytic activity than Ni metal. The amount of monolayer's on the surface of electrode is almost one order higher for Ni/C than Ni electrode. The kinetic parameters and the diffusion coefficient of methanol were derived from chronoamperometry (CA) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements.
Direct Borohydride Fuel Cell은 알칼리 붕소 수소화물의 수용액을 이용하는 연료전지로 연료의 직접 산화반응을 통해 기존의 DMFC(직접 메탄을 연료전지)보다 높은 전류밀도와 OUV(Open Circuit Voltage)를 나타낸다. 또한 액체 연료를 사용하므로 장치 구성이 간단하며, 사용하는 연료가 반응성이 높은 알칼리 붕소 수소화물로 이루어져 있기 때문에 탄화수소 계열의 액체 연료와 달리 전기화학 반응이 비귀금속 전극에서도 쉽게 이루어질 수 있다는 장점을 가지고 있다 하지만 강알칼리 조건에서 전기화학 반응이 진행되므로 이에 적합한 재료로 장치를 구성해야 하며, 액체 상태의 연료가 전해질을 투과하는 현상인 크로스오버 문제를 해결해야 하고, 생성물인 $BO_2$-가 침적되어 전지효율을 떨어뜨리는 것을 방지해야 하는 문제점이 있다. 또한 알칼리 붕소 수소화물이 물과 반응하여 수소를 발생시키는 hydrolysis 반응을 억제하여야 하고 직접 산화반응만이 진행될 수 있도록 전지를 구성해야 연료효율을 높일 수 있다. 따라서 본 연구에서는 수소 생성반응일 hydrolysis 반응은 억제하고 연료의 직접 산화반응만을 진행시키기 위한 전극촉매에 대하여 연구하였다. 일반적인 저온형 연료전지의 전극촉매로 사용하는 Pt등의 귀금속 촉매와, 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 Ni등의 비귀금속 촉매를 그 연구 대상으로 하였으며, 평가 방법으로는 unit cell station을 이용한 단위전지 성능측정 실험과 Potentiostat/Galvanostat을 이용한 half cell 실험을 병행하여 수행하였다.
Submicron thick solid electrolyte membrane is essential to the implementation of low temperature solid oxide fuel cell, and, therefore, development of new electrode structures is necessary for the submicron thick solid electrolyte deposition while providing functions as current collector and fuel transport channel. In this research, a nickel membrane with multi-stage nano hole array has been produced via modified two step replication process. The obtained membrane has practical size of 12mm diameter and $50{\mu}m$ thickness. The multi-stage nature provides 20nm pores on one side and 200nm on the other side. The 20nm side provides catalyst layer and $30\~40\%$ planar porosity was measured. The successful deposition of submicron thick yttria stabilized zirconia membrane on the substrate shows the possibility of achieving a low temperature solid oxide fuel cell.
A multi-cell test system with 25 independent cells is used to test different electrode materials simultaneously for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Twenty-five segmented membrane electrode assemblies (MEAs) having the same or different Pt-loading are prepared to analyze the performance deviation of cells in the multi-cell test system. Improvements in the multi-cell test system are made by ensuring that the system performs voltage sensing for the cells individually and inserting optimum gaskets between the MEAs and the graphite plates. The cell performances are improved and their deviations are significantly decreased by these modifications. The performance deviations changed according to various cell configurations because the operating conditions of the cells, such as the gas flow and concentration, differed. This cell system can be used to test multiple electrodes simultaneously because it shows relatively uniform performance under the same conditions as well as linear correlation with various catalyst loadings.
In this work, we have prepared platinum catalyst by various methods, investigated fuel cell performance and compared performance with commercially available $20\%$ Pt supported on carbon (Pt/C) catalyst. We have found that Pt/C prepared by reduction of chloroplatinic acid in mixed solvent (water+ethylene glycol) gives better performance compared to that produced by reduction of aqueous chloroplatinic acid, which can be attributed to smaller catalyst particle size and lower agglomeration in the mixed solvent. We have also prepared a novel platinum electrocatalyst by depositing platinum on Nafion coated carbon powder and it shows great promise. The performance of electrode prepared using $20\%Pt$ onn Nafion coated carbon mixed with Pt/C was found to be higher than the performance of electrodes using commercially available $20\%$ Pt/C, up to a current density of about $1100mA/cm^2$. The cell voltages obtained were respectively 621 and 603mV, at a current density of: $1000mA/cm^2$, in a single cell using $0.25mgPt/cm^2$ and Nafion 10035 membrane at $80^{\circ}C$ using hydrogen/oxygen reactants at 1 atm pressure.
고분자전해질 연료전지 (PEMFC)의 공기극을 양극산화 알루미늄 (AAO) 템플레이트를 이용하여 제조하고 촉매층의 구조적 특성을 주사현미경 (SEM) 측정과 BET (Brunauer-Emmett-Teller) 분석을 통해 알아보았다. SEM 측정을 통해 일정한 크기와 모양의 Pt nanowire 가 규칙적으로 형성된 것을 확인할 수 있었다. BET 분석을 통해 AAO 템플레이트로 인하여 20-100 nm 크기의 기공 분포가 증가한 것을 확인하였다. 단위전지 성능평가와 임피던스 측정을 통하여 막-전극접합체 (MEA)의 전기화학적 특성을 분석하였다. 그 결과, AAO 템플레이트를 이용하여 제조한 MEA는 촉매층의 구조 개선으로 인하여 물질 전달 저항을 감소시킬 수 있었으며, 25%의 단위전지 성능이 향상되었다.
Park, Myounggu;Kim, Ka Young;Seo, Hyeryun;Cheon, Young Eun;Koh, Jae Hyun;Sun, Heeyoung;Kim, Tae Jin
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제5권1호
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pp.1-18
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2014
Li-air cell is an exotic type of energy storage and conversion device considered to be half battery and half fuel cell. Its successful commercialization highly depends on the timely development of key components. Among these key components, the catalyst (i.e., the core portion of the air electrode) is of critical importance and of the upmost priority. Indeed, it is expected that these catalysts will have a direct and dramatic impact on the Li-air cell's performance by reducing overpotentials, as well as by enhancing the overall capacity and cycle life of Li-air cells. Unfortunately, the technological advancement related to catalysts is sluggish at present. Based on the insights gained from this review, this sluggishness is due to challenges in both the commercialization of the catalyst, and the fundamental studies pertaining to its development. Challenges in the commercialization of the catalyst can be summarized as 1) the identification of superior materials for Li-air cell catalysts, 2) the development of fundamental, material-based assessments for potential catalyst materials, 3) the achievement of a reduction in both cost and time concerning the design of the Li-air cell catalysts. As for the challenges concerning the fundamental studies of Li-air cell catalysts, they are 1) the development of experimental techniques for determining both the nano and micro structure of catalysts, 2) the attainment of both repeatable and verifiable experimental characteristics of catalyst degradation, 3) the development of the predictive capability pertaining to the performance of the catalyst using fundamental material properties. Therefore, under the current circumstances, it is going to be an extremely daunting task to develop appropriate catalysts for the commercialization of Li-air batteries; at least within the foreseeable future. Regardless, nano materials are expected to play a crucial role in this field.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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