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학위논문 상세정보

탄소나노튜브를 이용한 직접메탄올 연료전지 연료극 지지체의 특성 원문보기
Characteristics of carbon nanotube as an anode catalyst support material for direct methanol fuel cell

  • 저자

    전문석

  • 학위수여기관

    湖西大學校 大學院

  • 학위구분

    국내석사

  • 학과

    환경공학과 대기·폐기물 전공

  • 지도교수

  • 발행년도

    2002

  • 총페이지

    vi, v, 64p.

  • 키워드

    탄소나노튜브 직접메탄올 연료전지 연료극 지지체;

  • 언어

    kor

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T10050950&outLink=K  

  • 초록

    신 에너지 기술 중 연료전지 발전(Fuel cell)은 탄화수소 계열의 연료에 포함된 수소와 공기중의 산소를 전기 화학적 방법으로 반응시켜서 직접 전기를 생산한다. 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell이하 DMFC로 표기)는 액체인 메탄올을 발전용 연료로 사용하여 연료극에서 메탄올이 산화되어 수소이온이 전해질을 통과하여 공기극에서 공급되는 산소와 반응하는 전기 화학반응에 의하여 액체 연료로부터 직접 전기 에너지를 생산하기 때문에 소음 및 환경 공해가 없다는 장점을 가지고 있다. 탄소나노튜브(carbon nanotube이하 CNT로 표기)는 1991년 일본의 Iijima에 의해 처음 발견이 되었으며, 우수한 기계적 특성과 전기 전도성 등을 보인다. CNT의 구조는 여러 합성 방법과 조건에 따라 단층과 다층의 속이 빈 원통형 구조를 가지며, 탄소원자의 육각링들의 배열상태에 따라 다양한 구조를 가진다. 그 중 armchair 와 zigzag 구조를 가지는 CNT는 특히 높은 대칭성을 보인다. CNT는 일반적으로 전이금속 촉매를 이용하여 합성한다. 초기에는 주로 전기방전법을 사용하였으며 이외에도 레이저 증착법, 화학기상 증착 성장법등 여러 가지 성장방법이 활발하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 전기적 전도성이 우수하며 1차원적 구조를 가지고 있는 CNT를 사용하여 DMFC의 성능증가를 위해서 화학 기상증착법으로 CNT를 성장시키고, 이를 DMFC의 연료극 지지체로 사용하여 연료전지의 성능에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. TGA 분석의 결과 철산화물의 환원온도는 450℃가 적당함을 알 수 있었고, 환원 공정시 수소가스의 주입 온도를 450℃로 결정하였다. 철산화물은 환원성 가스인 수소가스로 처리하면 입자 크기가 작아지는 것을 알 수 있었다. 수소가스와 아르곤 가스의 혼합가스에서 수소가스의 양이 20%일때 보다 50%인 경우 CNT의 직경이 작아짐을 알 수 있었다. CNT를 연료극 지지체로 사용하는 경우가 카본블랙에 비해 약 7배 높은 메탄올 산화성능을 얻을 수 있었으며, 약 100mV의 저전위에서 산화가 일어남을 확인하였다. 카본블랙을 지지체로 사용했을 때 보다 CNT를 지지체로 사용하면 단위전지 성능이 약 30%의 증가함을 확인하였다. 이것은 카본블랙보다는 CNT에서 촉매의 분산성이 우수하기 때문인 것으로 판단된다. CNT의 구조에 따라 전기적인 성질이 달라 지므로 향후 CNT의 구조를 조절하여 연료전지에서의 특징을 살펴 보아야 한다.


    Synthesis of carbon nanotubes (CNTs) has been extensively investigated by a number of research groups, since the first discovery by Iijima in 1991. CNTs can be synthesized using arc-discharge, laser ablation, plasma-enhanced, and thermal chemical vapor deposition(CVD). The carbon nanotube, composed of sp^(2) hybridized carbon with the structure of zig-zeg, armchair, or chiral, formed by graphene layer as a cylinder type. There are spiral and straight type according to the growth shape. DMFC study progress has been made in various fields, such as catalysis, electrolytes, electrode structure, theoretical understanding of gas diffusion and fuel cell engineering. This also extends to direct methanol fuel cell, being considered as the most difficult fuel cell technology to improve the methanol crossover and catalytic inefficiency. Carbon black (Vulcan XC-72) can be used in catalyst system as a catalytic support material for DMFC. The temperature of reduction process was decidad to 450℃ using TGA, which is the equilibrium temperature of sintering and segregation reaction. The reduction temperature of iron oxide catalyst was also decided at this temperature in this experiments. The size of catalyst became smaller after the reduction process using hydrogen gas. The catalyst diameter after 50% hydrogen gas treatment was smaller than that of the 20% hydrogen gas treatment. The catalyst supported on the CNT showed the better performance of methanol dxidation about 7 times than the catalyst supported on the carbon black from the result of cyclice voltametry, and the methanol oxidation reaction occured also at the lower potential about 100mV. The overall performance of DMFC single cell increased about 30% in case of the catalyst supported on the CNT. It suggests that the methanol oxidation reaction and overall performance of DMFC increase because of the increment dispersion of the catalyst on the support material for the catalyst supporting on the CNT.


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