[논문 리뷰] Hydrogen Peroxide Formation Rates in a PEMFC Anode and Cathode: Effect of Humidity and Temperature

Vijay A. Sethuraman, John W. Weidner외 3명|Scholar Commons (University of South Carolina)|2020. 02. 20.

Fuel Cells and Related Materials참고 문헌 42인용 수 127

한 줄 요약

논문은 RRDE를 사용하여 다양한 습도, 온도, O2 농도 하에서 PEMFC의 애노드 및 카소드에서 H2O2 형성 속도를 추정하고, H2O2 수율을 물 활성도와 O2 수준과 연결한다.

ABSTRACT

Hydrogen peroxide (H2O2) formation rates in a proton exchange membrane (PEM) fuel cell anode and cathode were estimated as a function of humidity and temperature by studying the oxygen reduction reaction (ORR) on a rotating ring disc electrode (RRDE). Fuel cell conditions were replicated by depositing a film of Pt/Vulcan XC-72 catalyst onto the disk and by varying the temperature, dissolved O2 concentration and the acidity levels in hydrochloric acid (HClO4). The HClO4 acidity was correlated to ionomer water activity and hence fuel cell humidity. The H2O2 formation rates showed a linear dependence on oxygen concentration and square dependence on water activity. The H2O2 selectivity in ORR was independent of oxygen concentration but increased with decrease in water activity (i.e., decreased humidity). Potential dependent activation energy for the H2O2 formation reaction was estimated from data obtained at different temperatures.

연구 동기 및 목표

• PEMFC에서 습도(물 활성도)와 온도가 H2O2 형성 속도에 미치는 영향 이해.
• H2O2 형성의 O2 농도 및 물 활성도 의존성 정량화.
• 다른 작동 조건에서 H2O2에 대한 산소 환원 반응의 선택성 평가.
• 산도(Through HClO4) 를 통해 이온성 고분의 물 활성도에 의한 연료전지 습도 모사.
• 온도 변화에 따른 H2O2 형성 활성화 에너지 통찰 제공.

제안 방법

• Pt/Vulcan XC-72 촉매 필름에서 ORR 및 H2O2 형성을 연구하기 위해 회전 링 디스크 전극(RRDE) 사용.
• 온도, O2 농도, HClO4를 통한 산도 조절로 물 활성도를 조절하고 연료전지 조건 재현.
• H2O2 형성 속도를 측정하고 O2 농도 및 물 활성도에 대한 의존성 분석.
• 온도에 따른 활성화 에너지를 추정하기 위해 전위 의존성 조사.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PEMFC 전극에서 ORR 중 H2O2 형성 속도에 습도(물 활성도)와 온도가 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 O2 농도와 H2O2 형성 속도 및 선택성 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ3 물 활성도가 감소할 때(H2O 활성도 감소) H2O2 선택성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 HClO4에 의한 산도가 연료전지 습도 효과를 H2O2 형성에 어떻게 모방하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 서로 다른 온도에서 H2O2 형성의 활성화 에너지는 무엇인가?

주요 결과

• H2O2 형성 속도는 산소 농도에 선형으로 증가한다.
• H2O2 형성 속도는 물 활성도에 대해 이차(제곱) 의존를 보인다.
• H2O2 선택성은 산소 농도에 의존하지 않지만 물 활성도가 감소할수록 증가한다.
• HClO4 산도는 이온성 고분의 물 활성도와 상관 관계가 있어 실험에서 습도 제어를 가능하게 한다.
• 서로 다른 온도에서 수집된 데이터로 H2O2 형성의 활성화 에너지를 추정할 수 있다.