Pt 전극상에서 메탄올이 O2 환원에 미치는 영향

초록

직점메탄올 연료전지(DMFC)의 cathode에서의 주반응은 산소의 환원반응이지만 anode의 연료인 메탄올이 막을 통과하여 cathode로 넘어오는 crossover현상으로 인해 연료전지로부터 얻을 수 있는 전압의 손실을 가지고 온다. PEMFC의 경우 cell 전체 손실의 80%가 산소 환원 과전압에 기인한 것으로 보고되고 있으며, 따라서 전극 선택 및 설계가 cell의 성능을 결정하는 주요한 변수 가운데 하나이다. DMFC의 경우 crossover된 메탄올이 Pt cathode위에서는 산화반응이 함께 일어나게 된다. Cathode 전위(Ec)에서 일어나는 반응속도는 i(Ec)=ic+ia로 표현되며, ia는 Ec와는 무관하게 일정한 속도로 일어나는 산화반응을 나타낸다. 따라서 crossover가 없을때와 비교하여 cathode 반응속도가 증가하므로 Butler-Volmer 식에 의하여 높은 과전압이 요구되게 된다. 또한 외부회로를 통한 전하의 흐름이 없을때 측정되는 개방회로전압(Eocp)상태에서도 전극표면 위에서는 메탄올의 산화반응과 산소의 환원반응이 함께 일어나게 되므로 Eocp가 감소하게 되는 mixed potential effect를 나타나게 된다. Eocp에서, 메탄올 산화반응속도=산소환원속도, 즉, ic(Eocp)=ia이며, Eocp는 crossover rate에따라 변화하게된다. 이외에도 메탄올 산화과정에서 형성되는 중간 생성물에 의하여 cathode 피독현상이 발생하며, 추가적인 전압손실을 가져오게 된다.