[ Article ]

Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society - Vol. 36, No. 2, pp.170-175

ISSN: 1738-7264 (Print) 2288-7407 (Online)

Print publication date 30 Apr 2025

Received 27 Mar 2025 Revised 07 Apr 2025 Accepted 15 Apr 2025

DOI: https://doi.org/10.7316/JHNE.2025.36.2.170

URFC의 연료전지 모드에서 저Pt MEA의 산소극에 대한 Ir과 Ru 촉매의 영향에 관한 연구

김승환¹ ; 서원학¹ ; 서영진² ; 황철민³ ; 이성희⁴ ; 정영관²^{, †}

1국립금오공과대학교 대학원 기계공학과
2국립금오공과대학교 기계공학부
3포항테크노파크 에너지사업본부 수소 인증팀
4한국폴리텍대학 구미캠퍼스 자동화시스템과

A Study on the Effects of Ir and Ru Catalysts at the Oxygen Electrode of Low Pt MEA in Fuel Cell Mode of URFC

SEUNGHWAN KIM¹ ; WONHAK SEO¹ ; YOUNGJIN SEO² ; CHULMIN HWANG³ ; SUNGHEE LEE⁴ ; YOUNGGUAN JUNG²^{, †}

1Department of Mechanical Engineering, Kumoh National Institute of Technology Graduate School, 61 Daehak-ro, Gumi 39177, Korea
2School of Mechanical Engineering, Kumoh National Institute of Technology, 61 Daehak-ro, Gumi 39177, Korea
3Hydrogen Certification Team, Division of Energy Industry, Pohang Technopark, 394 Jigok-ro, Nam-gu, Pohang 37668, Korea
4Department of Automation System, Gumi Campus of Korea Polytechnics, 84 Suchul-daero 3-gil, Gumi 39257, Korea

Correspondence to: ^† jyg_kr@kumoh.ac.kr

Abstract

The unitized regenerative fuel cell (URFC) combines the functions of a fuel cell and electrolysis in a single cell, enabling bidirectional energy conversion. However, implementing both functions presents significant challenges in catalyst composition and performance enhancement. While many studies focus on high-performance catalysts with high Pt content, there is a lack of experimental research on the electrochemical performance of Ir and Ru catalysts at low currents. In this study, we investigates the electrochemical performance of Ir and Ru catalysts with low Pt content to provide fundamental data for the URFC membrane electrode assembly development. The results of this study indicate that the electrochemical performance of Ir, Ru, and Ir/Ru catalysts increased with higher catalyst content in fuel cell mode. However, as the content of Ru catalyst increased to more than 2 mg, the electrochemical performance of the fuel cell mode of URFC decreased.

Keywords:

Unitized regenerative fuel cell, Fuel cell, Water electrolysis, Membrane electrode assembly, Catalyst, Spray, Production

키워드:

가역 연료전지, 연료전지, 수전해, 막전극집합체, 촉매, 스프레이, 생산

1. 서 론

최근 몇 년간 유럽 지역의 러시아-우크라이나 전쟁과 중동 지역의 이스라엘-하마스 전쟁 등의 분쟁으로 인한 전 세계적인 에너지 안보(energy security) 문제가 급격히 대두되고 있다. 군사적 충돌과 정치적 불안정이 에너지 자원의 공급망에 큰 충격을 주었으며 에너지 가격 급등과 공급 부족을 초래하고 있다.

이러한 상황에 세계 각국은 화석연료(fossil fuel)의 안정적인 확보와 더불어 화석연료 의존도를 줄이면서 안정적인 에너지 공급을 확보하기 위한 다양한 대책을 모색하고 있다. 이와 같은 대책 중 한 가지 방안으로 자연 현상으로부터 에너지를 공급받는 재생에너지와 불규칙한 재생에너지의 공급 안정성을 해결하는 방안으로 에너지 저장 기술이 중요한 해결책으로 주목받고 있으며 특히 고분자전해질막(polymer electrolyte membrane) 수전해(electrolysis)와 연료전지(fuel cell) 기술은 에너지 안보를 강화하는 데 핵심적인 역할을 수행할 수 있다.

고분자전해질막 수전해¹⁾는 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 기술이고 고분자전해질막 연료전지²⁾는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 고효율 에너지 변환 기술로 가역반응(reversible reaction) 원리로 작동하며 친환경적이고 신뢰성이 높은 에너지 해결책 중 하나이다.

고분자전해질막 수전해와 연료전지의 가역적인 반응을 이용한 기술로 가역 연료전지(unitized regenerative fuel cell, URFC)가 있다. URFC는 수전해와 연료전지의 기능을 하나의 셀(cell)로 결합하여 양방향 에너지 전환이 가능하여 필요에 따라 전력을 저장하거나 생산할 수 있는 가역적인 특성을 가진 에너지 저장 및 변환 시스템으로 중요한 역할을 할 수 있고 수전해/연료전지를 일체화시킨 경제성도 갖출 수 있다^3,4).

그러나 URFC는 수전해와 연료전지의 기능을 모두 구현해야 하는 만큼 핵심 요소인 막전극집합체(membrane electrode assembly, MEA)의 촉매 구성과 성능 향상 등 다양한 어려움을 겪고 있다. 이리듐(iridium, Ir)과 루테늄(ruthenium, Ru)은 수전해 성능에 큰 영향을 미치며 백금(platinum, Pt)은 연료전지 성능에 큰 영향을 미치는 촉매이다.

이러한 촉매들의 수전해와 연료전지에서의 화학적 반응에 대한 각각의 특성에 대해서는 많이 알려져 있으나 실제 이 촉매들이 URFC에서의 정량적인 성능 정도와 이 촉매들의 조합의 성능 등에 관한 다양한 연구가 미흡한 실정이다.

특히 많은 연구들이 성능을 높이는 연구에 집중되어 있어 Pt 함량이 높아 Ir과 Ru의 저전류(low current) 영역에서부터의 성능 특성을 파악할 수 있는 정량적인 실험적 연구가 부족한 실정이다^4-7).

따라서 본 연구에서는 URFC용 MEA에서의 Pt과 Ir 그리고 Ru의 촉매 구성과 조합에 따른 전기화학적 성능에 미치는 영향에 대한 연구의 일환으로 URFC의 MEA 산소극이 저Pt의 상태에서 Ir과 Ru 촉매의 조합이 미치는 연료전지 모드에서의 발전 특성을 연구하였다.

2. URFC의 전기화학적 성능 평가 방법

2.1 URFC용 저Pt MEA 제작

본 연구에서는 저Pt 상태에서 Ir과 Ru 촉매의 전기화학적 성능 실험을 위한 MEA용 고분자막은 Table 1과 같이 Nafion 115 (Dupont, Wilmington, DE, USA)를 사용하였다^7,8). Nafion 115는 당량 1,100에 두께는 0.127 mm, 무게는 250 g/cm²인 고분자막으로 활성 면적은 5×5 cm², Table 2와 같이 수소극과 산소극의 촉매로 조성된 MEA들을 제작하였다^7,8).

Table 1.

Properties of the Nafion 115

Table 2.

Electrode catalyst composition of URFC MEAs

수소극의 촉매는 Pt/C 2 mg/cm²로 동일하게 조성하였으며 산소극은 Pt 0.1 mg/cm²에 Ir 1-3 mg/cm²와 Ru 1-3 mg/cm², Ir과 Ru을 1:1 비율로 혼합한 Ir/Ru 1-3 mg/cm²로 이오노머(ionomer)인 Nafion 용액은 20 wt%가 되게 조성하였다.

Fig. 1은 URFC MEA 제작 과정을 나타낸 것이다. 전극 촉매와 이오노머를 질소 분위기의 글로브박스(glovebox) 내에서 촉매 슬러리로 제조한 후 이온교환막에 촉매를 도포하여 열 압착(hot press)과 열 처리(heat treatment) 작업을 하여 MEA를 제작하였다.

Fig. 1.

Schematic diagram on the URFC MEA manufacturing process by using of spray production

2.2 URFC 성능 평가 방법

제작한 저Pt 촉매와 Ir과 Ru을 조합한 URFC용 MEA들의 성능에 대한 평가는 촉매의 활성화를 위하여 연료전지 모드 성능 평가를 먼저 수행한 후에 질소(nitrogen, N₂) 퍼지(purge)를 통해 셀 내부의 잔여물을 제거한 후 수전해 모드 성능 평가를 하는 순서로 수행하였다.

Table 3은 URFC의 연료전지 모드의 성능 평가 조건을 나타낸 것이다. 연료전지 모드에서 셀 온도 60℃, 상대습도 60%로 성능 평가를 수행하였다. 아울러 수전해 모드에서 셀 온도 60℃, 증류수 온도 25℃로 투입하여 성능 평가를 수행하였다.

Table 3.

Evaluation conditions on the fuel cell mode of URFC

URFC 셀을 평가하기 위하여 사용한 세퍼레이터는 전체 크기 8×8 cm이며 유로폭이 1 mm, 활성 면적 5×5 cm인 사로형(serpentine) 유로를 사용하였다.

3. 전기화학적 성능 평가 결과 및 고찰

3.1 URFC의 연료전지 모드 성능 평가 결과

3.1.1 산소극의 Ir 촉매 함량에 따른 연료전지 성능

Fig. 2는 산소극의 Ir 촉매 함량에 따른 URFC 연료전지 모드의 전기화학적 성능과의 관계를 나타낸 것이다. Ir 1 mg/cm²와 Ir 2 mg/cm², Ir 3 mg/cm²의 open circuit voltage (OCV)는 각각 0.759 V, 0.814 V, 0.833 V가 발생하여 Ir 3 mg/cm²는 Ir 1 mg/cm²와 Ir 2 mg/cm²에 비해 OCV가 각각 약 9.70%, 2.26% 높게 나타났다.

Fig. 2.

The relations between Ir catalyst content of oxygen electrode and performance of fuel cell mode of URFC

전류밀도와 전압과의 관계는 1.2 mA/cm²에서는 Ir 3 mg/cm²의 0.764 V와 비교하여 Ir 1 mg/cm²와 Ir 2 mg/cm²가 각각 0.542 V와 0.708 V로 약 41.08%, 7.97% 높게 나타났으며 2.4 mA/cm²에서는 Ir 3 mg/cm²의 0.712 V와 비교하여 Ir 1 mg/cm²와 Ir 2 mg/cm²의 경우 각각 0.355 V와 0.626 V로 약 100.77%, 13.81% 전압이 높게 나타났다.

또한 한계 전류밀도는 Ir 촉매 함량이 가장 많은 Ir 3 mg/cm²의 15.6 mA/cm²와 비교하여 Ir 1 mg/cm²와 Ir 2 mg/cm²의 경우 각각 2.8 mA/cm²와 8.4 mA/cm²로 약 457.14%, 85.71% 감소하였다.

따라서 Ir 촉매는 촉매 함량이 증가할수록 동일한 전류밀도에서 발생하는 전압과 한계 전류밀도가 증가하는 것을 알 수가 있다.

3.1.2 산소극의 Ru 촉매 함량에 따른 연료전지 성능

Fig. 3은 산소극의 Ru 촉매 함량에 따른 URFC 연료전지 모드의 전기화학적 성능과의 관계를 보여주고 있다. Ru 1 mg/cm²와 Ru 2 mg/cm², Ru 3 mg/cm²의 OCV는 각각 0.637 V, 0.635 V, 0.635 V로 근사하였다.

Fig. 3

The relations between Ru catalyst content of oxygen electrode and performance of fuel cell mode of URFC

전류밀도와 전압과의 관계는 0.4 mA/cm²에서는 Ru 2 mg/cm²의 0.551 V와 비교하여 Ru 1 mg/cm²와 Ru 3 mg/cm²의 경우 각각 0.444 V와 0.547 V로 약 24.24%, 0.81% 전압이 높게 나타났으며 1.2 mA/cm²에서는 Ru 2 mg/cm²의 0.483 V와 비교하여 Ru 1 mg/cm²와 Ru 3 mg/cm²의 경우 각각 0.307 V와 0.476 V로 약 57.16%, 1.35% 전압이 높았다.

또한 한계 전류밀도는 Ru 2 mg/cm²의 4.8 mA/cm²와 비교하여 Ru 1 mg/cm²와 Ru 3 mg/cm²의 경우 각각 1.2 mA/cm²와 4.4 mA/cm²로 약 75.00%, 9.09% 감소하였다.

따라서 Ru 촉매는 2 mg/cm²의 촉매 함량에서 가장 높은 전기화학적 성능이 나타났으며 2 mg/cm² 이상의 촉매 함량에서 전기화학적 성능이 감소하여 Ru 촉매는 2 mg/cm²가 한계 성능 함량인 것을 알 수가 있다.

3.1.3 산소극의 Ir과 Ru 촉매 함량에 따른 연료전지 성능

Fig. 4는 산소극의 Ir/Ru 촉매 함량에 따른 URFC 연료전지 모드의 전기화학적 성능을 나타낸 것이다. Ir/Ru 1 mg/cm²와 Ir/Ru 2 mg/cm², Ir/Ru 3 mg/cm²인경우 OCV는 각각 0.817 V, 0.837 V, 0.839 V가 발생하여 Ir/Ru 3 mg/cm²는 Ir/Ru 1 mg/cm²와 Ir/Ru 2 mg/cm²에 비해 OCV가 각각 약 2.67%, 0.27% 높게 나타났다.

Fig. 4.

The relations between ir/ru catalyst content of oxygen electrode and performance of fuel cell mode of URFC

전류밀도와 전압과의 관계를 보면 4.0 mA/cm²에서는 Ir/Ru 3 mg/cm²의 0.728 V와 비교하여 Ir/Ru 1 mg/cm²와 Ir/Ru 2 mg/cm²의 경우 각각 0.674 V와 0.726 V로 약 7.94%, 0.16% 전압이 높게 나타났으며 14.0 mA/cm²에서는 Ir/Ru 3 mg/cm²의 경우 0.638 V와 비교하여 Ir/Ru 1 mg/cm²와 Ir/Ru 2 mg/cm²의 경우 각각 0.506 V와 0.630 V로 약 25.91%, 1.23% 전압이 높게 나타났다.

그러나 24.0 mA/cm²에서 Ir/Ru 3 mg/cm²는 0.516 V로 Ir/Ru 1 mg/cm²의 0.344 V에 비해 약 49.90% 높은 전압이 발생하였으나 Ir/Ru 2 mg/cm²의 0.549 V에 비해 약 6.05% 전압이 감소하였다.

한계 전류밀도는 Ir/Ru 촉매 함량이 가장 많은 Ir/Ru 3 mg/cm²의 56 mA/cm²와 비교하여 Ir/Ru 1 mg/cm²와 Ir/Ru 2 mg/cm²의 경우 각각 25.6 mA/cm²와 40.0 mA/cm²로 약 118.75%, 40.00% 감소하였다.

Ir/Ru 촉매는 촉매 함량이 증가할수록 동일한 전류밀도에서 발생하는 전압과 한계 전류밀도가 증가하였다. 그러나 24.0 mA/cm²의 전류밀도부터 Ir/Ru 2 mg/cm²가 Ir/Ru 3 mg/cm²에 전기화학적 성능이 증가하였음을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 산소극이 저Pt 상태에서 Ir과 Ru 촉매의 조합으로 구성된 URFC용 MEA를 분사법을 이용하여 제작한 후 산소극이 저Pt 상태에서 Ir과 Ru 촉매의 조합에 따른 MEA의 연료전지 모드에서 의 발전 특성에 관한 실험 연구를 수행하였으며 연구 결과는 다음과 같다.

1) 연료전지 모드에서 Ir 촉매는 촉매 함량이 증가할수록 촉매의 활성도가 증가하여 초기 전압이 증가하였다. 전류밀도가 증가할수록 전압이 급격히 감소하는 경향이 나타났으나 촉매 함량이 증가할수록 전압의 감소의 기울기가 비교적 완만해진다.
2) 연료전지 모드에서 Ru 촉매는 한계 전류밀도를 낮추고 전류밀도가 증가할수록 전압이 크게 감소하였다. 또한 낮은 ORR 활성도를 보여 2 mg/cm² 이상의 촉매 함량에서 전기화학적 성능이 감소하였으며 이 결과로부터 Ru 촉매는 2 mg/cm²가 성능 향상의 한계 함량이라고 생각할 수 있다.
3) 연료전지 모드에서 Ir/Ru 조합 촉매는 Ir과 Ru 단독 촉매와 비교하여 두 촉매의 상호작용으로 에너지 장벽을 감소시켜 가장 높은 성능을 나타내었다. 그러나 Ru 촉매의 성능 한계로 전류밀도가 증가할수록 Ir/Ru 2 mg/cm²가 Ir/Ru 3 mg/cm²에 비해 높은 전기화학적 성능을 보이는 것을 확인하였다.
4) 이상의 연구 결과들은 URFC용 MEA의 촉매 구성과 조합에 따른 Pt과 Ir 그리고 Ru의 영향에 대한 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.

Acknowledgments

이 연구는 금오공과대학교 대학 연구 과제비로 지원되었음(2024-2025).

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