PEMFC 와 DMFC 를 위한 촉매소재목 차 연료전지란 ? 연료전지에서 촉매의 조건 촉매의 종류 촉매의 반응과정 촉매 제조방법 촉매의 미래연료전지란 ? 원료 물질이 가진 화학에너지를 기계적인 에너지로 변환하지 않고 직접 전기에너지로 변환시키는 장치 연료로 순수 수소나 천연가스 또는 석유를 개질하여 생산된 수소 혹은 메탄올을 사용하며 , 100˚C 이하에서 반응이 진행됨으로 인해 고온에서 작동되는 연료전지와 달리 반응의 속도를 높이기 위해 촉매를 사용 종류로는 PEMFC 와 DMFC, DEMFC 등이 있는데 , 이 중 PEMFC 와 DMFC 가 많이 활용연료전지에서 촉매의 조 건 현재는 촉매 재료로 백금이 가장 많이 사용되고 있음촉매의 종류 백금촉매 (Pt Catalyst) PEMFC 의 경우 cathode 촉매로 백금이 널리 이용되고 있으며 , 현재 사용되고 있는 백금 촉매는 카본 담지체에 나노크기의 백금입자가 분산된 형태로 제조된다 . 백금합금촉매 (Pt Alloy Catalyst) 백금 단일 촉매보다 1.2~3.8 배의 성능향상이 있고 , 가장 중요한 문제점인 촉매재료의 부식에 따른 안정성인데 Cr 과 Ti 의 경우는 촉매의 부식현상이 일어나지 않았다 . 백금의 높은 가격과 산소환원반응에 의한 상대적으로 높은 과전압으로 인해 등장했지만 , 산성용액에서의 상대적으로 낮은 성능과 안정성의 문제가 있었다 . 하지만 최근에 성능이 상당히 향상된 Fe- 화합물에 대한 보고가 있었다 비백금촉매 (Pt-free Catalyst)촉매의 반응과정 수소 산화반응 주요 메커니즘 백금표면에서 수소의 전기화학적 산화반응은 수소분자의 흡착과 분리과정을 거쳐 흡착된 수소원자의 탈착으로 이루어짐 수소 산화반응에 대한 백금의 높은 촉매활성으로 인해 , 순수한 수소를 연료로 사용할 경우 극히 작은 백금으로 충분한 성능을 보여줄 수 있음촉매의 반응과정 산소 환원반응 주요 메커니즘 2 가지 과정 1( 직접 4 전자과정 ) : 귀금속 ( Pt,Pd,Ag ) 와 금속산화물에서 일어남 과정 2( 과산화과정 ) : 사용되는 전극이 흑연 , 대부분의 카본 , 금 , 수은 , 표면이 산화층으로 덮힌 금속 ( Ni,Co ), 대부분의 전이금속 ( Nio , Spinels ) 일 경우 잘 일어남촉매의 반응과정 산소 환원반응 산소 환원과정에서 산소와 전극표면의 활성 면과의 상호작용이 중요함 소위 활성점 (Active Site) 이라 불리는 면은 전극의 다른 표면과 달리 높은 활성을 가짐 ★ Yeager 의 제안 ★ 산소와 전극 촉매의 표면과의 흡착에 관한 세가지 상호 작용모델을 제안했다 . Pathway Ⅰ : Thiospinels , Li-doped NiO Pathway Ⅱ : 대부분의 전이금속 , 카본 , 흑연 Pathway Ⅲ : 전이금속 , 백금촉매의 반응과정 산소 환원반응 산소와 전극촉매 표면과의 상호작용 모델촉매의 반응과정 일산화탄소 내피독성 화학적인 정제과정을 거친 후에도 개질 수소는 소량의 일산화탄소를 함유하게 되고 PEMFC 운전온도에서 일산화탄소는 촉매인 백금표면에 강한 흡착을 일으켜 촉매 활성을 감소시킴 다양한 촉매에서 일산화탄소의 내피독성 결과 촉 매 성 능 PtSn /C Pt/C 보다 낮은 onset 전위와 높은 활성 PdAu /C PtRu /C 보다 내피독성 향상 PtRuM /C (M=Mo, Nb , Ta ) PtRuMo /C 는 PtRu /C 보다 높은 활성을 보임 PtMo /C Pt/C 보다 낮은 과전압 PtRu-HxMeO 3 /C (Me=Mo, W) PtRu /C 보다 높은 전지성능 PtRu /CNT PtRu /C 와 유사한 성능촉매의 반응과정 메탄올 산화반응 수소산화반응에 비해 높은 열역학적 효율과 6 개의 전자가 발생하여 전류밀도에서 유리할 것으로 여겨지지만 반응메커니즘이 복잡하고 각 단계에서의 활성화 에너지 과전압들에 의해 이론 값보다 더 큰 과전압을 나타내고 있음 메탄올의 부분산화에 의해 일산화탄소 생성 , 백금표면에 흡착하여 촉매를 피독시키는 원인이 됨 대처방법 : 개질수소에 대한 촉매인 백금루테늄 촉매를 사용한다 .촉매의 반응과정 메탄올 산화반응 Pt 44 Ru 41 Os 10 Ir 5 촉매가 PtRu 촉매보다 0.3V 에서 50% 이상 높은 성능을 보인다 Mo 과 W 가 PtRu 촉매의 활성을 증가시키는 역할을 한다촉매 제조방법촉매 제조방법촉매 제조방법촉매 제조방법촉매의 미래 참고자료 : 고분자 전해질 연료전지와 직접메탄올 연료전지를 위한 촉매소재 심중표 교수 ( 군산대 ), 이홍기 교수 ( 우석대 )/2007 년 4 월 사진참조 : 네이버 이미지{nameOfApplication=Show}
플 라 즈 마 열 처 리T i t l e목 차플라즈마 질화처리 공정03.플라즈마 보로나이징 공정05.플라즈마 열처리의 응용현황 및 과제06.플라즈마 열처리의 종류02.플 라 즈 마 란 ?01.플라즈마 침탄처리 공정04.플라즈마란?전기 전도성을 가진 이온화된 기체 에너지상태플라즈마 열처리의 종류플라즈마질화처리침탄처리보로나이징N2 + H2가스를 1~10 Torr의 희박한 분위기의 진공로에서 처리부품을 음극(-), 로벽을 양극(+)으로 하여 수백 V의 직류전압을 가하여 글로우 방전을 일으킴 N+, H+ 이온을 발생 시켜, 이들 이온이 처리부품의 표면에 높은 운동 에너지를 갖고 충돌하여 처리온도까지 가열함과 동시에 질화를 행하는 방법플라즈마 질화처리 공정플라즈마 질화처리 공정도플라즈마 질화처리 장점가스 질화법에 비해 2~2.5배 빠른 질화 속도단상을 얻을 수 있고 두께조절이 용이질화층이 박리되지 않고 높은 광택성 유지입계 산화가 일어나지 않음특별한 후처리 공정이 필요 없음깨끗한 작업환경플라즈마 질화처리 단점초기시설 투자 비용이 상대적으로 높음보조 히터가 없을 시 경화 깊이가 불균일가격이 비쌈0.1~10 Torr의 진공용기내에 처리가스 공급, 처리제품을 음극(-), 로벽을 양극(+)으로 하여 수백 V의 직류고전압을 인가하여 글로우 방전을 일으킴 처리가스로는 Ar, H2의 캐리어가스와 CH4 또는 C3H8이 사용되며 발생된 C+ 이온이 처리물에 충돌하여 침탄됨플라즈마 침탄처리 공정플라즈마 침탄처리 공정도플라즈마 침탄처리 장점대량처리 가능, 빠른 침탄속도입계 부근에서의 산화물 발생이 없음균일한 표면을 생성아주 작은 구멍이 있는 부품도 열처리 가능표면탄소농도와 경화층 깊이를 정확하게 조절 가능그을음의 발생이 없음플라즈마 침탄처리 단점초기시설 투자 비용이 상대적으로 높음각이 진 부분에서 탄화물이 형성되기 쉬움연속 침탄이 어려움부품을 바스켓 내에 각각 개별적으로 장입해야 함2~10 Torr의 진공용기내에 반응가스 (BCl3 + H2)공급, 처리제품을 음극(-), 반응용기를 양극(+)으로 하여 수백 V의 직류고전압을 인가하여 글로우 방전을 일으킴 플라즈마 발생으로 생성된 이온화 보론은 표면부근에서 급격한 음극강하에 의해 고속으로 처리물과 충돌플라즈마 보로나이징 공정플라즈마 보로나이징 공정도플라즈마 보로나이징 장점FeB2의 우수한 단상을 얻을 수 있음처리속도가 빠름처리온도 저하로 에너지 절감표면의 활성화미량의 처리가스 사용으로 환경오염 방지플라즈마 질화처리의 응용현황금형강, 공구강, 구조용강에 주로 사용플라즈마 침탄처리의 응용현황철강재료에 모두 적용가능플라즈마 보로나이징의 응용현황기계부품, 전기전자부품, 원자로부품, 주로 사용참고문헌논문 - 플라즈마를 이용한 표면경화기술 현황 / 남기석, 권식철, 김성완 (한국기계 연구원 표면기술연구부) 1999년 12월 - 플라즈마 보로나이징 기술현황 / 남기석, 이구현, 권식철 (한국기계 연구원 표면기술연구부)1999년 - 플라즈마 침탄기술 / 남기석, 권식철 (한국기계 연구원 박막기술실) 1993년 2월 인터넷 – 원일특강 : http://www.wonilsteel.co.kr/ - 진영정밀금속가공 : http://www.jy-metal.co.kr/{nameOfApplication=Show}
