DMFC 백금계 전극촉매에서 산소환원 반응의 전기화학적 거동에 관한 연구

초록

Anode에서 메탄올이 직접 산화되는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 외부 메탄올 개질기를 가지는 연료전지와 비교하면 단순한 설계와 중량감소 및 경제적인 장점을 가지고 있기 때문에 특히, 마이크로 시스템의 전원으로 이용하기 위한 DMFC의 박막화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 DMFC에서 상용화의 주된 장애물의 하나인 막을 통해 anode에서 cathode로의 메탄올의 이동하는 현상 즉, 메탄올 crossover는 cathode의 성능의 심각한 감소로 인해 총괄 연료전지 효율의 감소를 초래하고 있다. Nafion막을 통한 메탄올 crossover현상을 완전히 제거하기는 힘들기 때문에 메탄올에 전극활성이 없고 산소환원에 높은 활성을 가지는 전극개발이 시급하다. Crossover된 메탄올은 Pt cathode위에서 산화반응이 동시에 일어나게 된다. Cathode 전위(Ec)에서 일어나는 반응속도는 로 표현되며, 는 Ec와는 무관하게 일정한 속도로 일어나는 산화반응을 나타낸다. 따라서 crossover가 없을 때와 비교하여 cathode 반응속도가 증가하므로 Butler-Volmer 식에 의하여 높은 과전압이 요구되게 된다. 또한 외부회로를 통한 전하의 흐름이 없을 때 측정되는 개방회로전압(Eocp)상태에서도 전극표면 위에서는 메탄올의 산화반응과 산소의 환원반응이 함께 일어나게 되므로 Eocp가 감소하게 되는 mixed potential effect를 나타내게 된다. Eocp에서, 메탄올 산화반응속도 = 산소환원반응속도, 즉, 이며, Eocp는 crossover rate에 따라 변화하게 된다. 결과적으로 crossover된 메탄올의 cathode에서 연속적인 산화로 인해 식(1)과 같은 결과를 초래하여 연료의 손실 및 cathode에서 혼합된 산소환원전위에 의한 음극의 감극을 발생시킨다. 3/2O2 + CH3OH --- CO2 + 3H2O (1) 본 연구에서는 DMFC의 성능에 직접적인 영향을 미치는 cathode 백금계 전극에서의 산소환원 반응특성을 조사하고자 한다. 이를 위하여 반응진행과정에서 나노그램단위의 전극무게변화를 in-situ로 측정할 수 있는 전기화학적 수정저울 (Electrochemical Quartz Crystal Microbalance, EQCM)과 전기화학 실험을 통하여 반응과정중의 전극의 흡착 및 반응특성을 조사하였다.