유망한 청정 에너지원으로서의 무막과산화수소 연료 전지

연료 전지는 연료와 산화제를 사용하여 화학 물질을 전기 에너지로 변환하는 전기 화학 장치입니다. FC는 Carnot Cycle¹에 구속되지 않기 때문에 기존 연소 엔진보다 에너지 변환 효율이 높습니다. FC는 수소(_H2)², 수소화붕소-수소(NaBH4)³ 및 암모니아(_NH3)⁴와 같은 연료를 활용하여 환경적으로 깨끗하고 고성능을 달성할 수 있는 유망한 에너지원이 되어 화석 연료에 대한 인간의 의존도를 줄일 수 있는 상당한 잠재력을 제공합니다. 그러나 FC 기술은 특정 과제에 직면해 있습니다. 한 가지 일반적인 문제는 FC 시스템에서 내부 단락에 대한 보호 장치 역할을 하는 양성자 교환막(PEM)의 내부 역할입니다. 전해조의 통합은 제조 비용, 내부 회로 저항 및 아키텍처 복잡성 증가에 기여합니다⁵. 더욱이, 단일 구획 FC를 다중 스택 어레이로 변환하면 전력 및 전류 출력을 향상시키기 위해 유동 채널, 전극 및 플레이트를 통합하는 복잡한 프로세스로 인해 추가적인 복잡성이 발생합니다⁵.

지난 수십 년 동안 이러한 멤브레인 관련 문제를 해결하고 FC 시스템을 간소화하기 위해 공동의 노력이 이루어졌습니다. 특히, 낮은 Reynold 수에서 층류 공동 흐름을 사용하는 무막 FC 구성의 출현은 혁신적인 솔루션을 제공했습니다. 이러한 설정에서, 두 유동 사이의 계면은 “가상” 양성자-전도막^{(proton-conducting} membrane)6으로서 기능한다. 층류 기반 FC(LFFC)는 미세유체역학 ^7,8,9,10의 이점을 활용하여 널리 연구되었습니다. 그러나 LFFC는 층류 연료/산화제 펌핑을 위한 고에너지 입력, 유체 흐름에서 반응물 교차 완화 및 유체역학적 매개변수 최적화를 포함한 엄격한 조건이 필요합니다.

최근에, H2O2는 전극(^11,12)에서의 전기산화 및 전기환원 공정 중에 물(_H2O)과산소(_O2)를 생성하는 탄소 중립적 특성으로 인해 잠재적인 연료 및 산화제로서 관심을 얻고 있다. H2O2는 2전자 환원 공정을 이용하거나 물⁽¹²)로부터 2전자 산화 공정을 이용하여 대량 생산할 수 있다. 이어서, 다른 기체 연료와 달리, 액체_H2O2연료는 기존의 가솔린 기반구조⁽⁵)에 통합될 수 있다. 게다가, H2O2 불균형 반응은_H2O2를 연료 및 산화제로서 제공하는것을 가능하게 한다. 도 1a는 손쉬운 H2O2FC 아키텍처의개략적인 구조를 나타낸다. 기존의 FC ^2,3,4와 비교하여 H2O2FC는 장치 “단순성”의 이점을 활용합니다. Yamasaki et al.은 연료와 산화제의 역할을 모두 수행하는 멤브레인이 없는 H 2 O₂FC를 시연했습니다. 기술된 전기 에너지 생성 메커니즘은 연구 커뮤니티가 이러한 연구 방향을 지속하도록 영감을 주었습니다⁶. 이어서,_H2O2를 연료 및 산화제로 사용하는 전기산화 및 전기 환원 메커니즘은 다음과 같은 반응으로 표현되었다^13,14

산성 매체에서:

양극 : H2 O 2 → O₂ + 2H ⁺ 2e^–; E_a1 = 0.68 V vs. 그녀
음극 : H 2 O 2 + 2H + ⁺ 2e^– → 2H₂ O; E_a2 = 1.77V 대 그녀
합계: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

기본 미디어에서:

H 2 O 2 + OH^– → HO 2^– + H ₂ O
양극 : HO 2- ^{+ OH–} → O 2 + H ₂ O +2e^–; E_b1 = 0.15V 대 그녀
음극 : HO 2– + H₂O + 2e- → ^3OH–; E_b2 = 0.87V 대 그녀
합계: 2 H 2 O2 → 2H 2 O + O ₂

도 1B는 H2O2FC의 작동 원리를 나타낸 것이다._H2O2는 양극에서 전자를 공여하고 음극에서 전자를 받아들인다. 양극과 음극 사이의 전자 전달은 외부 회로를 통해 발생하여 전기가 생성됩니다. _H2O2FC의 이론적 개방 회로 전위(OCP)는 산성 매체에서 1.09V이고 염기성 매체(¹³)에서 0.62V입니다. 그러나 수많은 실험 결과에서 이론적 OCP에 비해 산성 매질에서 최대 0.75V, 염기성 매질에서 최대 0.35V에 도달하는 더 낮은 값을 보여주었습니다. 이러한 관찰은 혼합 전위^{(mixed potential)13}의 존재에 기인할 수 있다. 또한,_H2O2FC의 전력 및 전류 출력은 전극의 제한된 촉매 선택성으로 인해 언급된 FC(2,3,4)와 경쟁할 수 없다. 그럼에도 불구하고, 표 1에 나타낸 바와 같이, 현재의 H2O2FC 기술이 전체 비용 측면에서_H2, NaBH4 및_NH3 FC를 능가할 수 있다는 것은 주목할 만하다. 따라서,_H2O2전기산화 및 환원을 위한 전극의 향상된 촉매 선택성은 이러한 장치에 대한 중요한 과제로 남아 있다.

본 연구에서는 3차원 다공성 구조 전극을 도입하여 전극과_H2O2연료 간의 상호 작용을 개선하여 반응 속도를 높이고 전력 및 전류 출력을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 또한 용액 pH와_H2O2농도가 FC의 성능에 미치는 영향을 조사합니다. 이 연구에 사용된 전극 쌍은 금 전기도금된 탄소 섬유 천과 니켈 폼으로 구성됩니다. 구조 특성 분석은 X선 회절(XRD) 및 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 수행되며, 개방 회로 전위(OCP), 편광 및 전력 출력 곡선이 FC 테스트의 주요 매개변수로 사용됩니다.