본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

고분자 전해질 연료전지 및 수전해용 촉매층의 이오노머 바인더

Ionomer Binder in Catalyst Layer for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell and Water Electrolysis: An Undated Review

이민영|정다혜|김범석|박진수|마하무다아크테르|신지윤|박종혁
한국전기화학회 (The Korean Electrochemical Society)|2022.11|전기화학회지 (Journal of the Korean Electrochemical Society)|제25권 제4호|pp. 174-183

2

조회

0

다운로드

1

인용

0

참고문헌

키워드

Polymer Electrolyte Membrane Fuel CellPolymer Electrolyte Membrane Water ElectrolysisCatalyst layerIonomer Binder
주제분류화학

초록

높은 에너지 밀도와 고순도 수소 생산의 측면에서 고분자 전해질 연료전지와 수전해가 주목받고있다. 고분자 전해질 연료전지 및 수전해를 위한 촉매층은 귀금속 계열의 전기 촉매와 이오노머바인더로 구성되어 있는 다공성 전극이다. 이 중 이오노머 바인더는 촉매층 내 이온 전도를 위한 3차원 네트워크 형성과 전극 반응에 필요한 또는 생성되는 물질들의 이동을 위한 기공 형성에 중요한 역할을 수행한다. 상용 과불소계 이오노머의 활용 측면에서 이오노머의 함량, 이오노머의 물성, 그리고 이를 분산시킬 분산 매체에 촉매층의 성능 및 내구성이 크게 달라진다. 현재까지 고분자 전해질 연료전지용 촉매층을 위한 이오노머의 활용 방법은 많은 연구가 진행되어왔으나 고분자 전해질 수전해 적용 방면에서는 촉매층 연구가 다소 미비한 실정이다. 본 총설에서는 현재까지 보고된 연료전지 측면에서의 이오노머 바인더 활용 연구결과를 요약하였으며, 수소경제 시대의 가속화를 위해서 고분자 전해질 수전해 핵심요소 중 하나인 촉매층용 이오노머 바인더에 관한 연구에 유용한 정보를 제공하고자 한다.

Abstract

Polymer electrolyte fuel cells and water electrolysis are attracting attention in terms of high energy density and high purity hydrogen production. The catalyst layer for the polymer electrolyte fuel cell and water electrolysis is a porous electrode composed of a precious metalbased electrocatalyst and an ionomer binder. Among them, the ionomer binder plays an important role in the formation of a three-dimensional network for ion conduction in the catalyst layer and the formation of pores for the movement of materials required or generated for the electrode reaction. In terms of the use of commercial perfluorinated ionomers, the content of the ionomer, the physical properties of the ionomer, and the type of the dispersing solvent system greatly determine the performance and durability of the catalyst layer. Until now, many studies have been reported on the method of using an ionomer for the catalyst layer for polymer electrolyte fuel cells. This review summarizes the research results on the use of ionomer binders in the fuel cell aspect reported so far, and aims to provide useful information for the research on the ionomer binder for the catalyst layer, which is one of the key elements of polymer electrolyte water electrolysis to accelerate the hydrogen economy era.

참고문헌 (54)

  1. B. G. Pollet, "The use of power ultrasound for the production of PEMFC and PEMWE catalysts and low-Pt loading and high-performing electrodes", Catalysts, 9(3), pp.246~ (2019)
  2. 이홍연, "Electrospun Poly(Ether Sulfone) Membranes Impregnated with Nafion for High-Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells", 전기화학회지, 19(1), pp.9~13 (2016), 한국전기화학회
  3. 김단비, "평판형 고체산화물 연료전지의 CFD 성능해석에서 공기유량변화의 영향", 전기화학회지, 18(4), pp.172~181 (2015), 한국전기화학회
  4. 김문수, "스테인레스 강의 수전해 전극 응용기술 동향", 전기화학회지, 24(2), pp.13~27 (2021), 한국전기화학회
  5. 김은영, "저 가습에서 유리한 고분자 전해질 연료전지용 자가 가습 전극 개발", 신재생에너지, 11(4), pp.46~51 (2015), 한국신·재생에너지학회[DOI]
  6. R. E. Rosli, "A review of high-temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC)system", Int. J. Hydrogen Energy, 42(14), pp.9293~9314 (2017)
  7. 신문식, "탄화수소계 전해질막 기반 막-전극접합체 제조를 위한 전사 기술", 신재생에너지, 13(3), pp.51~57 (2017), 한국신·재생에너지학회
  8. 윤호석, "고분자 전해질 연료전지용 산소환원반응을 위한 비백금촉매의 활성에 대한 최신 연구 동향", 전기화학회지, 23(4), pp.90~96 (2020), 한국전기화학회[DOI]
  9. Q. Feng, "A review of proton exchange membrane water electrolysis on degradation mechanisms and mitigation strategies", J. Power Sources, 366, pp.33~55 (2017)
  10. 정혜영, "고분자 전해질막 수전해 막전극접합체의 양이온 오염에 따른 성능 저하", 한국수소및신에너지학회논문집, 28(4), pp.331~337 (2017), 한국수소및신에너지학회[DOI]
  11. 김지영, "음이온교환막 수전해 촉매기술 동향", 전기화학회지, 25(2), pp.69~80 (2022), 한국전기화학회
  12. J. G. Choi, "Phosphate-decorated Pt Nanoparticles as methanoltolerant oxygen reduction electrocatalyst for direct methanol fuel cells", J. Electrochem. Sci. Technol, 13(3), pp.354~361 (2022)
  13. M. Uchida, "Investigation of the microstructure in the catalyst layer and effects of both perfluorosulfonate ionomer and PTFE?loaded carbon on the catalyst layer of polymer electrolyte fuel cells", J. Electrochem. Sci. Technol, 142(12), pp.4143~ (1995)
  14. S. Zhang, "A review of platinum-based catalyst layer degradation in proton exchange membrane fuel cells", J. Power Sources, 194(2), pp.588~600 (2009)
  15. D. You, "High performance membrane electrode assemblies by optimization of coating process and catalyst layer structure in direct methanol fuel cells", Int. J. Hydrogen Energy, 36(8), pp.5096~5103 (2011)
  16. 김도열, "고분자전해질연료전지 연료극의 이오노머 함량에따른 CO 내피독 특성 연구", 신재생에너지, 14(4), pp.38~45 (2018), 한국신·재생에너지학회[DOI]
  17. J. -H. Park, "Effect of ionomer dispersions on the performance of catalyst layers in proton exchange membrane fuel cells", Electrochim. Acta, 424, pp.140680~ (2022)
  18. "NafionTM Polymer Dispersions"[URL]
  19. "Aquivion? ion conducting polymers"[URL]
  20. "3M™ Ionomers"[URL]
  21. "PemionTM"[URL]
  22. 조원재, "고분자 전해질 연료전지 촉매층 바인더를 위한 Sulfonated Fluorenyl Poly(ether sulfone)에 관한 연구", 전기화학회지, 19(2), pp.39~44 (2016), 한국전기화학회
  23. D. Lee, "Effect of loading and distributions of Nafion ionomer in the catalyst layer for PEMFCs", Int. J. Hydrogen Energy, 33(11), pp.2790~2794 (2008)
  24. H. Yu, "Influence of the ionomer", carbon ratio for low-Pt loading catalyst layer prepared by reactive spray deposition technology, 2015, pp.283, 84~94
  25. H. Ishikawa, "Effects of Pt and ionomer ratios on the structure of catalyst layer: A theoretical model for polymer electrolyte fuel cells", J. Power Sources, 374, pp.196~204 (2018)
  26. J. -H. Park, "Effect of dispersing solvents for ionomers on the performance and durability of catalyst layers in proton exchange membrane fuel cells", Electrochim. Acta, 391, pp.138971~ (2021)
  27. 육은성, "알칼리막 연료전지용 전극의 제조방법에 따른 전기화학적 특성 분석", 전기화학회지, 24(4), pp.106~112 (2021), 한국전기화학회
  28. A. Kusoglu, "New insights into perfluorinated sulfonic-acid ionomers", Chem. rev, 117(3), pp.987~1104 (2017)
  29. E. Moukheiber, "Investigation of ionomer structure through its dependence on ion exchange capacity (IEC)", J. Mem. Sci, 389, pp.294~304 (2012)
  30. D. Brandell, "Molecular dynamics studies of the Nafion®, Dow®and Aciplex® fuel-cell polymer membrane systems", J. Mol. Model, 13(10), pp.1039~1046 (2007)
  31. N. Yoshida, "Characterization of Flemion® membranes for PEFC", Electrochim. Acta, 43(24), pp.3749~3754 (1998)
  32. M. Saito, "Mechanisms of ion and water transport in perfluorosulfonated ionomer membranes for fuel cells", J. Phys. Chem. B, 108(41), pp.16064~16070 (2004)
  33. S. J. Hamrock, "Proton exchange membranes for fuel cell applications", J. macromol. sci., Polym. rev, 46(3), pp.219~244 (2006)
  34. J. Li, "Understanding shortside-chain perfluorinated sulfonic acid and its application for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells", RSC adv, 4(8), pp.3944~3965 (2014)
  35. Y. Garsany, "Improving PEMFC performance using short-sidechain low-equivalent-weight PFSA ionomer in the cathode catalyst layer", J. Electrochem. Soc, 165(5), pp.F381~ (2018)
  36. M. Breitwieser, "A fully spraycoated fuel cell membrane electrode assembly using Aquivion ionomer with a graphene oxide", cerium oxide interlayer, 2017, pp.351, 145~150
  37. S. Litster, "PEM fuel cell electrodes", J. Power Sources, 130(1-2), pp.61~76 (2004)
  38. S. -Y. Ahn, "Effect of the ionomers in the electrode on the performance of PEMFC under nonhumidifying conditions", Electrochim. Acta, 50(2-3), pp.673~676 (2004)
  39. T. Li, "Performance comparison of proton exchange membrane fuel cells with nafion and aquivion perfluorosulfonic acids with different equivalent weights as the electrode binders", ACS omega, 5(28), pp.17628~17636 (2020)
  40. Y. Liu, "Proton conduction in PEM fuel cell cathodes: effects of electrode thickness and ionomer equivalent weight", Electrochem. Soc., 157(8), pp.B1154~ (2010)
  41. H. Ren, "Ionomer network of catalyst layers for proton exchange membrane fuel cell", J. Power Sources, 506, pp.230186~ (2021)
  42. S. Shahgaldi, "The impact of short side chain ionomer on polymer electrolyte membrane fuel cell performance and durability", Appl. Energy, 217, pp.295~302 (2018)
  43. K. -H. Kim, "The effects of Nafion® ionomer content in PEMFC MEAs prepared by a catalyst-coated membrane (CCM) spraying method", Int. J. Hydrogen Energy, 35(5), pp.2119~2126 (2010)
  44. Y. V. Yakovlev, "Ionomer content effect on charge and gas transport in the cathode catalyst layer of protonexchange membrane fuel cells", J. Power Sources, 490, pp.229531~ (2021)
  45. C. -H. Song, "Effect of dispersion solvents in catalyst inks on the performance and durability of catalyst layers in proton exchange membrane fuel cells", Energies, 12(3), pp.549~ (2019)
  46. C. M. Johnston, "Impact of solvent on ionomer structure and fuel cell durability", ECS Trans, 25(1), pp.1617~ (2009)
  47. C. Lei, "Impact of catalyst ink dispersing solvent on PEM fuel cell performance and durability", J. Electrochem. Soc, 168(4), pp.044517~ (2021)
  48. D. -C. Huang, "Effect of dispersion solvent in catalyst ink on proton exchange membrane fuel cell performance", Int. J. Electrochem. Sci, 6(7), pp.2551~2565 (2011)
  49. K. Ayers, "High efficiency PEM water electrolysis:Enabled by advanced catalysts, membranes, and processes", Curr. Opin. Chem. Eng, 33, pp.100719~ (2021)
  50. S. S. Kumar, "Hydrogen production by PEM water electrolysis–A review", Mater. Sci. Energy Technol, 2(3), pp.442~454 (2019)
  51. A. S. Aricò, "Polymer electrolyte membrane water electrolysis: status of technologies and potential applications in combination with renewable power sources", J. Appl. Electrochem, 43(2), pp.107~118 (2013)
  52. P. Trinke, "Elucidating the effect of mass transport resistances on hydrogen crossover and cell performance in PEM water electrolyzers by varying the cathode ionomer content", J. Electrochem. Soc, 166(8), pp.F465~ (2019)
  53. W. Xu, "The effects of ionomer content on PEM water electrolyser membrane electrode assembly performance", Int. J. Hydrogen Energy, 35(21), pp.12029~12037 (2010)
  54. Y. Jang, "Investigation of the correlation effects of catalyst loading and ionomer content in an anode electrode on the performance of polymer electrode membrane water electrolysis", Int. J. Hydrogen Energy, 47(42), pp.18229~18239 (2022)

관련 논문AI추천

고분자 전해질 연료전지 및 수전해용 촉매층의 이오노머 바인더김범석, 박종혁, 박진수, 신지윤, 이민영, 정다혜, 마하무다아크테르한국전기화학회 · 전기화학회지2022 · 제25권 제4호고분자전해질연료전지 연료극의 이오노머 함량에따른 CO 내피독 특성 연구김도열, 박석희, 우승희, 임성대, 정남기한국신·재생에너지학회 · 신재생에너지2018 · 제14권 제4호고분자 전해질 연료전지용 산소환원반응을 위한 비백금촉매의 활성에 대한 최신 연구 동향윤호석, 정원석, 최명호한국전기화학회 · 전기화학회지2020 · 제23권 제4호고분자 전해질막 수전해의 산화 전극용 귀금속 촉매의 연구 동향부종찬, 심유진, 임다빈, 정원석, 조현석한국전기화학회 · 전기화학회지2022 · 제25권 제4호음이온교환막 수전해 촉매기술 동향김지영, 이기영한국전기화학회 · 전기화학회지2022 · 제25권 제2호고분자 연료전지용 전기촉매의 이론과 설계성영은, 유성종, 전태열한국전기화학회 · 전기화학회지2009 · 제12권 제1호

이 간행물의 다른 논문 (7건)

전기화학 기반의 전기 변색 센서 연구 동향서민지pp. 125-133증착 기법을 이용한 리튬이차전지용 초박막 세라믹 코팅 분리막 기술최승엽, 노영준, 김우철, 이용민, Cyril Bubu Dzakpasupp. 134-153고분자 전해질막 수전해의 산화 전극용 귀금속 촉매의 연구 동향조현석, 정원석, 부종찬, 임다빈, 심유진pp. 154-1612차원 결정성 탄소 소재의 최근 이차전지 소재 개발 동향: 그래핀(graphene)과 그라파인(graphyne)의 이차전지 개발 최근 동향봉성율, 이혁진pp. 162-173고분자 전해질 연료전지 및 수전해용 촉매층의 이오노머 바인더이민영, 정다혜, 김범석, 박진수, 마하무다아크테르, 신지윤, 박종혁pp. 174-183
원문 보기