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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)

Applied Chemistry for Engineering Vol.32 No.3 pp.332-339
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2021.1043

Study on the Improvement of Electrochemical Performance by Controlling the Surface Characteristics of the Oxygen Electrode Porous Transport Layer for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

Han Eol Lee, Doan Tuan Linh, Woo-kum Lee^*, Taekeun Kim^**†

Graduate School of Energy Science and Technology, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea
^*Department of Energy & Electrical Engineering, Woosuk University, Jincheon 27841, Korea
^**Department of Chemical Engineering Education, Chungnam National University, Daejeon 34134, Korea

^†Corresponding Author: Chungnam National University, Department of Chemical Engineering Education, Daejeon 34134, Korea
Tel: +82-42-821-5893 e-mail: taekeun.kim@cnu.ac.kr

Received May 10, 2021 ; Review May 25, 2021 ; Accepted May 26, 2021

Abstract

Recently, due to concerns about the depletion of fossil fuels and the emission of greenhouse gases, the importance of hydrogen energy technology, which is a clean energy source that does not emit greenhouse gases, is being emphasized. Water electrolysis technology is a green hydrogen technology that obtains hydrogen by electrolyzing water and is attracting attention as one of the ultimate clean future energy resources. In this study, the surface properties of the porous transport layer (PTL), one of the cell components of the proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE), were controlled using a sandpaper to reduce overvoltage and increase performance and stability. The surfaces of PTL were sanded using sandpapers of 400, 180, and 100 grit, and then all samples were finally treated with the sandpaper of 1000 grit. The prepared PTL was analyzed for the degree of hydrophilicity by measuring the water contact angle, and the surface shape was observed through SEM analysis. In order to analyze the electrochemical characteristics, I-V performance curves and impedance measurements were conducted.

Key Words : Proton exchange membrane water electrolysis , Porous transport layer , Surface treatment , Sandpaper

양이온 교환막 수전해용 산화전극 확산층의 표면 특성 제어를 통한 전기화학적 성능 개선 연구

이 한얼, Doan Tuan Linh, 이 우금^*, 김 태근^**†

충남대학교 에너지과학기술대학원
^*우석대학교 에너지전기공학과
^**충남대학교 화학공학교육과

초록

최근 화석 연료 고갈과 지구 온난화를 가속화하는 온실 가스 배출에 대한 우려로 온실 가스를 배출하지 않는 청정 에너지원인 수소 에너지 기술의 중요성이 강조되고 있다. 그 중 물을 전기분해하여 수소를 얻는 수전해 기술은 그린 수소 기술로 궁극적인 청정 미래 에너지 자원으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 양이온 교환막 수전해(proton exchange membrane water electrolysis, PEMWE)의 셀 구성요소 중 하나인 확산층(porous transport layer, PTL)을 sandpaper 를 이용한 표면 처리를 통하여 표면 특성을 제어하였으며, 이러한 표면 특성 개선을 통하여 과전압을 줄이고 성능과 안정성을 높이기 위한 연구를 진행하였다. Sandpaper 400, 180, 100방을 준비하여 PTL 표면을 sanding하여 처리하였으 며, 처리 후 1000방의 고른 sandpaper로 표면을 매끄럽게 처리하였다. 준비된 확산층은 물접촉각을 측정하여 친수성 정도를 분석하였으며, SEM 분석을 통하여 표면 형태를 관찰하였다. 전기화학적 특성 분석을 위하여 I-V 성능곡선, 임피던스 측정을 진행하여 성능 개선 여부를 확인하였다.

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1. 서 론

현재의 주에너지원인 화석연료는 고갈될 우려가 있으며 지구온난 화의 주요 원인인 온실가스를 배출하는 문제로 대체에너지의 연구개 발의 필요성이 대두되고 있다. 특히 온실가스 배출이 거의 없고 비고 갈성 에너지이며 재생 가능한 에너지원으로서 태양광, 풍력, 수력에너 지의 개발이 활발이 이루어지고 있다. 하지만 태양광, 풍력, 수력, 바 이오에너지와 같은 신재생 에너지는 전력 생산이 일정하지 않아 이를 효율적으로 저장하고 사용하기 위한 에너지저장장치의 중요성이 또 한 강조되고 있다. 에너지저장장치는 에너지를 저장하는 방식으로 분 류되고 있다. 물리적 저장장치로는 양수발전(hydro pumping)[1,2], 압 축공기 에너지저장장치(compressed air energy storage system)[3,4], 플 라이휠(flywheel)[5,6], 초전도 자기 에너지저장장치(superconducting magnet energy storage system)[7,8], 슈퍼커패시터 에너지저장장치(supercapacitor energy storage system)[9,10] 등이 있으며, 화학적 저장장 치로는 리튬이온전지(lithium-ion battery)[11,12], 나트륨-황 전지(sodium sulfur battery)[13,14], 납축전지(lead-acid battery)[15] 등의 이차전 지를 사용하는 배터리 에너지저장장치(battery energy storage system), 레독스흐름전지(redox flow battery) 에너지저장장치[16,17], P2G (power to gas) 에너지저장장치[18] 등이 있다. P2G 에너지저장장치는 최 근 대두되고 있는 고효율의 에너지저장장치로서 잉여 전력을 이용하 여 수소, 메탄 등 가스 연료 형태로 에너지를 저장하는 장치이다. 이 중 수소에너지는 화석연료와 비교했을 때 3배 이상 높은 고에너지밀 도를 가지고 있으며 환경 친화적인 특징들로 인해 향후 대용량 에너 지 저장장치 및 에너지원으로 기대되고 있다. 또한 정부는 수소경제 활성화 로드맵을 발표하면서 수소에너지를 새로운 성장동력 및 친환 경 에너지의 원동력으로 인식하고 2040년까지의 수소경제 활성화를 위한 정책을 내세워 향후 온실가스 감축, 미세먼지 저감, 재생에너지 이용 확대를 기대하고 있다.

수소 생산은 화석연료 개질, 부생가스, 바이오매스 가스화, 수전해 등 다양한 기법을 통하여 이루어질 수 있다. 현재 생산되는 수소의 대 부분은 높은 가격 경쟁력으로 인하여 화석연료 추출 방법으로 생산되 는데, 이러한 방법을 통하여 생산된 수소는 그레이 수소라고 불리며, 이름에서 알 수 있듯이 생산 단계에서 다량의 온실가스를 배출하는 방법이라 할 수 있다. 이를 개선하기 위한 수소 생산 기법인 물을 전 기분해하여 수소를 추출하는 수전해 방식은 재생에너지 전기를 사용 해 물에서 수소를 생산하는 기술로 온실가스가 전혀 배출되지 않는 그린 수소 생산 방식이며, 최근 이에 대한 연구개발이 활발하게 이루 어지고 있다.

수전해 장치의 종류[19,20]는 사용되는 전해질에 따라 고체 산화물 수전해법(solid oxide electrolysis)[21-24], 알칼라인 수전해법(alkaline electrolysis)[25-28], 양이온 교환막 수전해법(proton exchange membrane electrolysis, PEMWE)[29-31]으로 나뉘어진다. 고체 산화물 수전 해법은 전해질과 분리막으로 수소나 산소 이온 전도성을 갖는 산화물 막을 이용하는 기술로 약 700 ℃ 이상의 고온 운전조건을 갖는 것이 특징이다. 가장 높은 효율을 기대할 수 있는 수전해법으로 향후 70~ 80%의 효율을 낼 것으로 보고 있어 약 60% 정도의 효율을 보여주는 다른 수전해법에 비해 효율적인 측면에서 전망이 높다. 하지만 아직 까지 연구개발의 단계가 높지 않으며 기초 연구에 머물고 있는 상황 이다. 알칼라인 수전해법은 가장 오랜 연구가 이루어졌으며 상용화가 이루어진 방식이다. 전해질로 수산화칼륨(KOH)와 같은 용액을 이용 하며 별도의 다공성 분리막을 사용하는 기술로, 다른 수전해 방식에 비해 많은 실증 사업을 통해 안정성과 기술 성숙도에서 큰 장점을 가 지고 있다. 또한 전극으로 니켈과 같은 값싼 재료들을 사용하기 때문 에 가격 경쟁력에서도 우월하다. 하지만 양이온 교환막 수전해와 비 교해 운전 전류밀도가 낮아 향후 수소 생산 가격 및 성능에서 양이온 교환막 수전해법에 비해 불리하게 될 것이라는 전망이 있다. 양이온 교환막 수전해법은 Figure 1과 같이 수소 이온이 이동할 수 있는 양이 온 교환막을 전해질로 이용하여 물을 전기분해하는 방법이다. 산화전 극(anode)에서는 식 (1)과 같이 물이 IrO₂과 같은 귀금속 산화물 촉매 에 의해 산화되어 산소를 발생시킨다. 이때 생성된 수소 이온은 양이 온 교환막을 통해 환원전극(cathode)으로 이동해 Pt 촉매에 의해 환원 되어 식 (2)와 같이 수소를 발생시킨다. 전체 반응식은 식 (3)과 같다.

(1)

(2)

(3)

양이온 교환막 수전해법은 운전 가능한 전류밀도가 매우 높기 때문 에 상대적으로 단일 생산량이 높다는 장점이 있고 장치가 컴팩트하며 수소의 순도가 높은 장점이 있어 발전 가능성이 높은 기술로 알려져 있다. 하지만 전해질의 강한 산성으로 인해서 Figure 1과 같이 고가의 귀금속 촉매인 이리듐(iridium) 산화물 및 백금(platinum)을 사용하기 에 초기 시설비가 다른 수전해 방식보다 많이 들어 결과적으로 수소 생산 단가가 높고 과전압으로 인한 안정성이 낮아 안정성을 높이는 연구가 필요하다[32]. 이러한 문제는 양이온 교환막 연료전지[33-36] 와 연구방향 및 메커니즘에 있어 같은 맥락을 띄어 연구개발 진행이 빠르게 이어지고 있는 상황이다. 양이온 교환막 연료전지와 연구개발 되는 내용 및 중요도가 유사한데, 초기 스택 설비 비용에 큰 영향을 끼치는 bipolar plate 개발, MEA (membrane electrode assembly) 및 귀 금속 촉매 최적화[37], 촉매로딩감소[38]를 통한 안정성 확보 등 비용 을 절감하기 위한 연구가 이루어지고 있으며, 성능 열화 메커니즘을 확인하기 위한 MEA 열화 메커니즘 연구[39-41], GDL (gas diffusion layer) 또는 PTL (porous transport layer)의 물질 전달[42,43] 및 표면/ 계면 개질[44-46]을 통한 성능 향상 연구가 주로 진행되고 있다. 특히 산화전극의 연구가 중요하게 여겨지고 있는데 연료전지와 다르게 수 전해는 높은 전위를 가지고 있어 산화전극이 높은 산화 분위기를 갖 게 된다. 이러한 현상으로 인해 탄소 전극을 사용하는 양이온 교환막 연료전지와 다르게 수전해는 산화전극에 촉매로서 이리듐 산화물인 IrO₂, IrRuO₂과 같은 촉매를 사용하게 된다. 또한 GDL 및 PTL은 높은 전압의 산성 환경에서 화학적으로 안정성을 갖는 물질이어야 하기 때 문에 티타늄 계열의 소재를 사용해왔으며, 형태로는 메쉬, 폼, 펠트 등 의 다양한 형태[47]를 적용시켜 왔다. 또한 계면 저항 및 물질 저항 감소 를 통한 전기화학적 성능 개선을 위하여 표면/계면 개질 연구가 진행되 고 있다. PTL은 고전류밀도 운전 구현을 위하여 주요한 역할을 하는 구성요소로, 운전 시 물 공급이 부족하지 않도록 하며 생성되는 기체 를 효율적으로 제거하는 물질 전달 제어가 필수적이다. 확산층과 전 극 간 계면은 물 공급에 따른 반응이 시작되는 지점이며 동시에 생성 된 기체가 배출되는 시작 지점이므로 효과적인 물질 전달을 위해서는 확산층과 전극 간 계면 특성 파악 및 제어가 필요하다. 동시에 전자의 이동 통로이기도 하므로 충분한 전기 전도도를 가져야 하며 형태, 기 공 크기, 기공 분포, 기공도, 두께, 표면 특성 등 다양한 연구를 바탕으 로 확산층 구조의 최적화가 필요하다. 본 연구에서는 양이온 교환막 수전해법의 셀 구성요소 중 확산층인 PTL의 표면 특성을 조절하여 계 면 저항 감소 및 성능 향상에 대해 연구를 진행하였다. 특히 PTL의 표면 특성 중 하나인 친수성을 개선시켜 성능에 미치는 영향에 대해 분석하고 물 전기분해시 발생하는 전압 손실을 줄이는 것에 초점을 맞추었다. 친수성을 개선하기 위한 방법으로 sandpaper를 활용한 표면 특성 개선을 적용하였다. 표면 개질을 통한 친수성이 개선된 확산층 은 물접촉각을 측정하여 친수성 정도를 분석하였고, I-V 성능곡선, 임 피던스, SEM (scanning electron microscope) 측정으로 물리화학적 및 전기화학적 분석을 진행하였다.

2. 실 험

2.1. 양이온 교환막 수전해의 셀 구성요소

수전해 셀은 MEA, PTL, gasket, flow field plate, current collector, end plate의 구성요소들로 이루어져 있으며 활성화 면적은 25 cm²로 설정하였다. MEA는 HIAT사의 CCM (catalyst coated membrane)으로, 양이온 교환막으로 Nafion 117을 사용하였으며 2.0과 1.0 mg_Pt/cm²가 각각 산화전극과 환원전극에 반응 촉매로 코팅되었다. PTL은 Mott corporation의 티타늄 계열 PTL (Ti-PTL)을 사용하였다.

2.2. 단일셀 조립 및 I-V 성능곡선 테스트

전기화학적 평가를 위한 단일 셀은 CCM의 각 전극 위로 두께 250 μm인 Ti-PTL 4장을 겹쳐 총 1000 μm 두께의 확산층을 구성하였으며, 약 900 μm의 PTFE (polytetrafluoroethylene) gasket을 PTL 주위에 위 치시키고 80 kgf⋅cm 토크 힘으로 조립하였다. 네 장의 PTL 중 CCM 산화전극과 직접 맞닿는 한 장의 PTL을 조건에 맞도록 변경해가며 실 험을 진행하였다. 전류밀도 0~0.1 A/cm² 구간에서는 0.02 A/cm²씩 전 류밀도를 증가시키며 전압과 HFR (high frequency resistance)를 측정 하였고, 0.1 A/cm² 이후 구간에서는 0.2 A/cm² 씩 전류밀도를 증가시 키며 3 A/cm²에 도달할 때 까지 전압과 HFR을 측정하였다. 각 구간은 5 min씩 전류를 유지시키며 전압 변화를 측정하였다. 온도는 셀 내부 를 흐르는 물의 입구과 출구의 온도를 기준으로 각각 60와 80 ℃에서 측정하였으며, DI water는 펌프를 사용하여 50 mL/min의 유속으로 안 정적으로 공급하였다.

2.3. 임피던스 측정

셀 저항 및 임피던스 측정을 위해 AMETEK 사의 1255B frequency response analyzer와 1480 multistat이 사용되었다. 주파수 100000~0.01 Hz 범위에서 측정하였으며, 60 ℃ 환경에서 각각 OCV (open circuit voltage), 0, 0.02 A/cm²에 해당하는 OCV 대비 전압을 측정하여 해당 전압에서 측정하였다.

2.4. Sandpaper를 이용한 Ti-PTL 표면 처리

Sandpaper는 거칠기에 따라 숫자 단위로 나뉘며 국내에서는 보통 방 단위로 표시한다. 방 수는 같은 면적의 종이에 채워지는 모래알의 수 를 의미하며 방 수가 높아질수록 sandpaper의 재질이 부드러워지는 특 성을 지닌다(Figure 2). 거칠기에 따라 400방(AA-400, Hawk^®), 180방 (AA-180, Hawk^®), 100방(AA-100, Hawk^®)으로 분류된 sandpaper를 준 비하였으며, Ti-PTL을 400방으로 sanding한 TPSA400, 180방으로 sanding한 TPSA180, 100방으로 sanding한 TPSA100을 준비하였다. 한 쪽 표면만을 처리하였으며, 100회/분의 횟수로 약 5 min간 진행하였다. 이 후 사용된 sandpaper보다 고운 sandpaper (CC-1000CW, Daesung)를 통 해 마감을 해주어 표면처리를 완료하였다. SEM 분석은 CARL ZEISS 사의 Merlin compact 모델을 이용하였으며, 가속전압 5.00 kV, 고진공 상태에서 ET type SE 검출기를 이용하여 SE (secondary electron)를 받 아 이미지를 표현하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 물리화학적 특성 평가 결과

3.1.1. SEM 분석 결과

Figure 3은 표면처리를 하지 않은 pristine Ti-PTL(a)와 표면 처리를 진행한 TPSA400(b), TPSA180(c), TSPA100(d)의 단면 SEM 결과이 다. Figure 3에서 보는 바와 같이 pristine Ti-PTL은 다공성 구조로 이 루어진 모습을 볼 수 있었고 부드러운 표면을 형성하고 있는 것이 확 인되었다. 반면 표면 처리를 진행한 TPSA400, TPSA180, TPSA100는 기존의 표면 구조들이 순차적으로 평탄화된 모습을 관찰할 수 있었다. 또한 표면 처리 시 발생한 입자들이 다공성 표면을 막는 현상을 보였 고 특히 TPSA100이 가장 심하게 나타나 다공성 구조의 모습을 상실 한 표면을 나타내었다. 또한 상대적으로 매끄러운 표면을 형성하는 pristine Ti-PTL에 비해 표면 처리를 진행한 Ti-PTL의 경우 빗살무늬 형상의 거친 표면을 형성하고 있는 모습을 확인할 수 있었다. Pristine Ti-PTL과 비슷한 구조를 형성하는 TPSA400에 비해 가장 거친 sandpaper를 이용하여 처리한 TPSA100은 울퉁불퉁한 표면을 형성하고 있 는 모습을 확인할 수 있었다.

3.1.2. 접촉각 측정

표면처리 후 Ti-PTL 표면에 DI water를 떨어뜨려 접촉각으로 친수 성의 정도를 확인하였다(Figure 4). 접촉각 측정 결과, 표면 처리를 통 해 친수성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 아무 처리도 하지 않은 pristine Ti-PTL(a)에 비해 TPSA400는 친수성에 해당하는 접촉각을 보였고 TPSA180, TPSA100은 초친수성에 해당하는 접촉각을 나타내 었다(Figure 5).

3.1.3. 기공도 측정

Pristine Ti-PTL 및 TPSA400, TPSA180, TPSA100의 기공측정 결과 Table 1에서 보이듯이 pristine Ti-PTL과 비교하여 TPSA400, TPSA100 은 기공도의 변화가 크게 없었으며 TPSA180에서 기공도의 변화가 상 대적으로 크게 일어났다. Table 1과 Figure 6을 함께 비교해 보았을 때 표면 처리는 기공도의 큰 변화를 주지 않더라도 기공의 크기를 크게 변화시키는 것을 알 수 있었다. Pristine Ti-PTL은 10 μm의 지름을 가 진 기공이 가장 많이 발견된 것에 반해, 표면 처리를 진행한 Ti-PTL은 모두 macropore에 해당하는 800~1000 μm의 지름을 가진 기공이 가장 많이 발견되었다. 또한 Table 1에서 평균 기공의 크기가 TPSA100에 서 가장 낮게 나온 것처럼 보이는데, 이는 Figure 6에서 TPSA100의 기 공 크기가 TPSA400 및 TPSA180에 비해 넓고 작은 범위에 분포되어 있 으며 3~4 μm에 해당하는 기공이 다른 Ti-PTL보다 많이 분포되어 있어 이러한 결과를 나타냈다고 볼 수 있다. 또한 Figure 6을 보았을 때 기 공의 크기가 TPSA400이 가장 균일하며, 다음으로 TPSA180, TPSA100 순으로 나타나는 결과를 보인다. 이는 400방 이상의 거친 sandpaper를 활용했을 때 균일하지 못한 기공의 크기가 얻어진다는 것을 나타내며 물질 전달에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

3.2. 전기화학적 특성 평가 결과

3.2.1. I-V 성능곡선 측정 결과

표면 처리를 진행하지 않은 pristine Ti-PTL과 표면 처리를 진행한 TPSA400, TPSA180, TPSA100의 I-V 성능곡선을 40~80 ℃ 범위에서 측정하여 비교하였다(Figures 7, 8). Figure 7에서 보이는 바와 같이 소 수성 표면 특성을 가지고 있는 pristine Ti-PTL은 가장 낮은 성능을 보 였으며 표면 처리를 진행한 TPSA400, TPSA180, TPSA100의 성능이 개선된 것을 확인하였다. 그 중 TPSA400은 성능 개선폭이 가장 큰 것 으로 보이며 pristine Ti-PTL과의 성능 격차는 높은 온도 환경에서 측 정할수록 격차가 줄어들었다. 가장 높은 온도 환경인 80 ℃에서는 고 전류밀도에서 TPSA100의 성능이 가장 낮게 측정되었다. 이는 SEM image 결과에서 보았듯이 가장 거친 sandpaper를 이용한 sanding이 표 면을 소수성에서 친수성으로 개질시킬 수 있음에도 불구하고 표면 손 상 및 다공성 구조를 변화시켜 물질 전달에 영향을 끼쳤다는 것을 고 온 및 고전류밀도에서의 성능 감소를 통해 확인할 수 있었다.

Figure 8은 각 전압에 도달했을 때의 전류밀도를 측정하여 온도별로 나타낸 그래프이다. 측정된 전류밀도는 낮은 온도에서 높은 온도로 갈 수록 증가했으며, 상대적으로 낮은 전압인 1.5 V(a)에서 측정했을 때 성 능 향상폭이 가장 높았다. 또한 소수성의 특성을 가진 pristine Ti-PTL 은 저온 및 저전압 환경에서 높은 성능을 나타내는 반면 친수성의 특 성을 가진 TPSA400, TPSA180, TPSA100 Ti-PTL은 온도가 높아질수 록, 전압이 높아질수록 높은 성능을 나타내는 것이 확인되었다. 특히 TPSA400은 높은 성능 및 높은 성능 향상폭을 나타내어 sanding을 이 용한 표면 개질 방법이 표면 제어에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되 었다.

3.2.2. 임피던스 측정 결과

임피던스 측정 결과 0.04 및 0.08 A/cm² 전류밀도에서 옴 저항 (ohmic resistance, R_ohm)은 pristine Ti-PTL과 TPSA400의 차이가 거의 없었으며, TPSA180과 TPSA100은 pristine에 비해 높아진 결과를 보 였다. 전하 이동 저항(charge transfer resistance, R_ct) 및 물질 전달 저 항(mass transport resistance, R_mt)은 pristine Ti-PTL에 비해 TPSA180 과 TPSA100은 모두 높게 측정되었으며, TPSA400은 상대적으로 낮은 저항 값을 나타내었다(Figure 9). 이는 Figure 7의 I-V 성능곡선에서 보았듯이 전류밀도가 높아질수록 TPSA400의 성능 개선이 크게 일어 난다는 것과 동일한 경향을 나타내는 결과이며, 400방의 sandpaper로 표면 처리를 했을 시 친수성 및 표면 기공을 변화시켜 옴 저항, 전하 이동 저항 및 물질 전달 저항에 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었 다. 또한 고전류밀도로 갈수록 I-V 성능곡선과는 반대로 TPSA180 및 TPSA100에서 pristine보다 높은 저항 값의 결과가 나왔는데, 이는 Figure 6에서 기공 측정 결과에서 보았듯이 400방 이상의 거친 sandpaper를 활용해 표면 처리를 하였을 때 균일하지 않은 기공이 형성되 면서 물질 전달에 영향을 미친 것으로 확인된다. 특히 TPSA100은 고 전류밀도에서 옴 저항 값이 점차 높아지는 결과를 보이는데, 이는 거 친 100방의 sandpaper가 Ti-PTL의 기공뿐만 아니라 표면을 심하게 손 상시킨다는 것을 나타내주고 있다(Figure 3). 임피던스 측정을 통해 sanding을 이용한 표면 처리가 옴 저항, 전하 이동 저항, 물질 전달 저 항을 줄여주는 역할을 하였지만 400방 이상의 sandpaper는 Ti-PTL에 역효과를 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있었다.

4. 결 론

Pristine Ti-PTL 및 sandpaper를 이용하여 표면 처리한 TPSA400, TPSA180, TPSA100의 SEM, 접촉각, 기공도, I-V 성능곡선, 임피던스 를 측정하였다. SEM 측정결과 pristine Ti-PTL은 부드러운 표면을 형 성하고 있으며 다공성 구조로 이루어진 모습에 반해 sanding 처리를 진행한 Ti-PTL은 표면이 거칠어 졌으며 발생한 분진과 알맹이들로 인 해 다공성 구조를 잃는 것으로 확인되었다. 접촉각 측정 결과 sanding 처리 진행 시 친수성의 정도가 급격히 변화하는 것이 확인되었다. 소수 성인 pristine Ti-PTL에 비하여 TPSA400는 친수성, TPSA180, TPSA100 은 초친수성에 해당하는 물 접촉각을 나타내었다. 기공도 측정 결과, pristine Ti-PTL, TPSA400, TPSA100은 유사한 기공도를 나타내었으 나 TPSA180은 상대적으로 높은 기공도를 나타내었다. 또한 표면 처 리를 진행한 Ti-PTL은 pristine Ti-PTL에 비해 기공의 크기가 커진 것 을 확인하였으며 TPSA400이 가장 균일한 기공 크기를 가진 것으로 확인되었다. I-V 성능곡선 측정 시 TPSA400은 가장 좋은 성능을 보 여주었으며 TPSA180은 다소 떨어진 성능, TPSA100은 소수성의 특징 을 가진 pristine Ti-PTL과 대등한 성능을 보여주어 다소 큰 성능차를 보여주었다. 성능은 낮은 전류밀도에서 온도가 높아질수록 큰 폭으로 증가했으며 높은 전류밀도에서 성능 폭이 상대적으로 적었다. 또한 낮은 전류밀도에서 소수성의 특징을 가진 Ti-PTL이 다소 성능이 좋 고, 높은 전류밀도에서 친수성의 특징을 가진 Ti-PTL의 성능이 좋아 진 것이 확인되어, 친수성은 낮은 전류밀도 보다 높은 전류밀도에서 보다 효과적으로 영향을 미치는 것이 확인되었다. 임피던스 측정 결 과 0.04 및 0.08 A/cm² 전류밀도에서 TPSA400의 옴 저항, 물질 전달 저항, 전하 이동 저항이 낮게 측정되어 I-V 성능곡선과 동일한 경향성 을 나타내었다. 이 결과를 통해 sandpaper를 이용한 표면 처리가 저항 에 영향을 미친다는 것을 확인하였으며, 이로 인하여 성능 개선에 영 향을 미쳤다는 것을 알 수 있었다. 결과적으로, 400방의 sandpaper가 성능 및 성능 증가가 가장 높았으며, 이는 표면 처리가 친수성을 개선 시키며 균일한 기공 크기를 형성시켜 저항과 성능에 영향을 미친다는 결과를 도출해 낼 수 있었다. 또한 400방 이상의 거친 sandpaper를 활 용해 표면 처리를 할 경우 친수성은 개선되는 반면 Ti-PTL의 표면에 큰 손상을 주어 악영향을 미친다는 것을 확인하였다.

감 사

본 연구는 충남대학교 자체 연구(CNU사업, 정보통신방송표준개발 지원사업, 과제번호 2018-0988-01) 지원에 의하여 수행되었습니다.

Figures

Figure 1.Principle and structure of proton exchange membrane water electrolysis.

Figure 2.Type of sandpaper according to the roughness. (a) example of a coarse sandpaper, (b) example of a fine sandpaper.

Figure 3.SEM images of Ti-PTLs (a) pristine, (b) TPSA400, (c) TPSA180, and (d) TPSA100.

Figure 4.Contact angle measurement results before and after surface treatment. (a) pristine Ti-PTL (b)TPSA400, (c) TPSA180, and (d) TPSA100.

Figure 5.Water contact angle according to surface hydrophilicity.

Figure 6.Ti-PTLs incremental intrusion vs pore size (a) pristine, (b) TPSA400, (c) TPSA180, and (d) TPSA100.

Figure 7.I-V curve performance of Ti-PTL at (a) 40, (b) 60, and (c) 80 ℃ (Solid lines are I-V curve performance, dash lines are IR corrected voltage and dotted lines are overpotential).

Figure 8.Performance of each Ti-PTL by temperature at (a) 1.5, (b) 1.7, (c) 1.9, (d) 2.1, and (e) 2.3 V.

Figure 9.Impedance results of Ti-PTLs at (a) 0.04, and (b) 0.08 A/cm².

Tables

Table 1.Ti-PTLs Porosity Data

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