• 멤브레인
• /
• 제27권5호
• /
• pp.389-398
• /
• 2017

연료전지용 고분자 전해질막에 있어서 가장 중요한 특성인 수소이온 전달 능력은 내부에서 형성되는 수화채널의 분포 및 형상에 큰 영향을 받게 된다. 비과불화탄소계인 탄화수소계 전해질막의 경우, 과불화탄소계 전해질막인 나피온에 비하여 이러한 수화채널이 약하게 형성되는 것으로 알려져 있으며 따라서 상대적으로 낮은 이온전달 성능을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 컴퓨터를 이용한 전산모사 기술의 하나인 메조스케일 전산모사 기술을 이용하여 탄화수소계 연료전지용 전해질막인 술폰화 폴리이미드의 가습조건에서의 수화채널 형성 및 상분리 현상을 관찰하였다. 이를 통하여 술폰화 폴리이미드 내부에서 물분자 비드는 친수성 영역 전체에 걸쳐서 고르게 분포되며 명확한 수화 클러스터는 높은 술폰화도에서만 형성되는 것이 관찰되었다. 또한, 술폰화 폴리이미드 모델은 저가습 상태에서 수화 채널을 형성하는데에 나피온 모델에 비하여 더 어렵다는 것이 관찰되었다. 이러한 결과들은 비과불화불소계인 탄화수소계 전해질막의 수화채널 형성에 대한 기존 이론을 명확하게 뒷받침하고 있으며, 술폰화 폴리이미드의 전도도 경향도 잘 설명을 하고 있다. 따라서 메조스케일 전산 모사 기술은 연료전지용 전해질막의 상분리 현상 및 수화채널을 분석하고 이온전도 특성을 규명하는 데에 있어서 매우 효과적인 기술이 될 수 있다는 것을 확인하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 한국신재생에너지학회 2009년도 춘계학술대회 논문집
• /
• pp.415-417
• /
• 2009

A low temperature decal (LTD) transfer method is tried to fabricated hydrocarbon (HC) membrane based MEA. Sandwiched structures of outer ionomer/catalyst/carbon coating/substrate, which had been developed for Nafion membrane, are used for transfer of catalyst to the HC membrane. Performances of the HC MEA before and after 500hr continuous operation are compared and it is found that a severe delamination occurs at the interface between the HC membrane and the catalyst layer, which is the main reason of the low performance and its degradation. The delamination is due probably to the different nature of HC membrane to the Nafion ionomer. A substitutional method, therefore, is suggested to overcome this. In such a way, the outer ionomer process is removed and the low transfer rate of catalyst by skipping the ionomer process is compensated with optimization of other process variables such as transfer time or temperature. The resulting performance is superior to the original LTD method, which can be explained in terms of low resistive components both in ohmic and kinetic.

• 한국수소및신에너지학회논문집
• /
• 제28권3호
• /
• pp.246-251
• /
• 2017

To fabricate a hydrocarbon polymer electrolyte composite membrane incorporated with Pt nanoparticle, the polymer electrolyte membrane made of a sulfonated-fluorinated hydrophilic-hydrophobic block copolymer (SFBC) and sulfonated poly (ether ether ketone) (SPEEK) blend in the wight ratio of 1 : 1 was synthesized, and a simple drying process was used in order to incorporate Pt nanoparticle into the SFBC/SPEEK film by reducing platinum (II) bis (acetylacetonate), Pt $(acac)_2$. The distribution of the Pt nanoparticles was observed by transmission electron microscopy (TEM), and mechanical and thermal properties were tested by universal testing machine (UTM) and thermogravimetry analyzer (TGA). Cation conductivity, ion exchange capacity (IEC) and I-V characteristics were estimated.

• 멤브레인
• /
• 제26권1호
• /
• pp.1-13
• /
• 2016

연료전지는 화석연료, 특히 내연기관을 대체할 수 있는 가장 대표전인 에너지 기술이다. 가장 중요한 핵심 재료 중 하나로서 연료기체의 장벽 역할을 함과 동시에 수소이온전달 역할을 하는 고분자 전해질 막(PEM)이 있다. PEM 내부에서 수화 채널은 수소이온의 전달통로 역할을 하기 때문에, 많은 연구자들은 높은 함수율을 저가습 상태에서도 유지하여 우수한 수소이온 전달 능력을 보유할 수 있는 상분리현상을 통한 친수성 채널 형성에 대하여 초점을 맞추어 왔다. 본 총설에서는 이러한 낮은 가습조건에서도 높은 수소이온전도도를 갖는 술폰화 PEM들의 합성 전략에 대하여 논의 하여보고, 다른 연구자들의 고성능 탄화수소계 PEM의 설계에 도움을 주고자 하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
• /
• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
• /
• pp.97.1-97.1
• /
• 2011

저온에서 양이온 고분자막을 사용하는 고분자 연료전지의 경우 뛰어난 성능과 다양한 응용분야로 인해 많은 연구와 실증이 이루어지고 있지만 공기극에서의 느린 산소 환원반응으로 인해 백금과 같은 귀금속의 사용이 불가피하고 백금의 제한된 매장량과 높은 가격으로 인해 상용화가 늦어지고 있다. 그래서 많은 연구자들이 합금 촉매 또는 비귀금속 촉매를 이용한 전극 개발에 집중하고 있다. 알칼리 분위기에서 저가의 전이 금속들이 백금과 비슷한 활성을 보이고 고체 음이온 교환막이 개발됨에 따라 최근 알칼리 연료전지가 다시금 큰 주목을 받고 있다. 그러나 고분자 연료전지와는 달리 아직 촉매나 전해질막, 이오노머의 특성 및 메커니즘에 관해 별로 알려진 것이 없다. 본 연구에서는 직접 개발한 세공충진막 형태의 탄화수소계의 음이온 교환막과 비귀금속 공기극 촉매를 이용하여 막전극접합체(MEA)를 개발하였고 촉매 및 이오노머 함량과 같은 전극 조성, 막전극접합체의 제조 및 체결, 가습이나 가스조성 등의 단위전지 운전조건과 같은 다양한 변수에 대해에 최적 조건을 도출하고자 하였다. 공기극 촉매는 Cu-Fe/C를 이용한 상용 촉매를 이용하였고 이오노머의 경우는 탄화수소계의 상용 제품을 사용하였으며 음이온 교환막에 전극층을 형성하기 위해서는 스프레이 공정을 이용하였다. 단위전지를 통해 성능을 확인하였고 임피던스 및 CV를 통해 전기화학적인 특성을 규명하였다. 조건의 최적화를 통해 상당한 성능 향상을 이루었으나 추가적인 성능 향상 및 내구성 확보 등에 대해 계속적인 실험을 진행할 예정이다.

• 멤브레인
• /
• 제33권3호
• /
• pp.127-136
• /
• 2023

본 연구에서는 실리카 복합막 기반 고분자 전해질막을 5단 연료전지 스택에 적용하여 성능 평가를 수행하였다. 이를 통하여, 개별 구성 요소의 성능도 중요하지만, 전체적인 관점에서 공급되는 연료의 유량이 스택 성능에 중요한 역할을 하며, 특히 수소의 유량에 크게 의존한다는 사실이 확인하였다. 산소의 유량을 증가시켜도 성능의 변화는 미미한 반면, 수소의 유량을 증가시키면 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 그러나 수소의 유량 증가는 수소와 산소 유량 비율의 불균형을 초래하여 장기적으로는 스택 성능과 내구성을 저하시키는 문제가 관찰되었다. 이러한 현상을 스택 구성 요소 및 개별 단위 셀에서도 관찰할 수 있었으며, 따라서 스택 운전 시 각 구성 요소의 성능을 최적화하는 것 외에도 균일한 유량 제어를 위해 유로 설계 및 운전 조건을 최적화하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 실리카 복합막은 최대 출력 기준 25 W 이상의 성능을 나타내어 실제 연료전지 시스템에 적용하기에 충분한 성능을 갖춘 것으로 판단된다.

• 에너지공학
• /
• 제19권2호
• /
• pp.121-127
• /
• 2010

본 연구에서는 4,4'-bis[(4-chlorophenyl)sulfonyl]-1,1'-biphenyl(BCPSBP), 술폰화된 하이드로퀴논, 4,4'-sulfonyldiphenol를 이용하여 새로운 폴리(아릴렌 비페닐설폰 에테르) 공중합체를 합성하였고 이들의 특성을 평가하였다. 첨가한 술폰화된 하이드로퀴논의 몰분율에 따라 PBPSEH-HQ00, PBPSEH-HQ10, PBPSEH-HQ30의 고분자전해질막을 합성하였다. 제조한 공중합체의 구조분석은 NMR, IR, GPC를 사용하여 실시하였고, GPC에서 평균분자량은 62,000-213,000 g $mol^{-1}$이며, 이때 PDI는 1.66-4.04였다. TGA와 DSC를 통하여 열분석을 실시하였고, 고분자의 이온화정도가 많아짐에 따라 $T_{d5%}$와 $T_{d10%}$는 낮아 졌으며, $T_g$값은 점점 상승하였다. 함습율과 IEC, 이온전도도는 술폰화된 하이드로퀴논 몰분율이 증가함에 따라 증가하였다. 고분자전해질막에서 중요한 양이온 전도도는 $60^{\circ}C$ 및 100%상대습도에서 약 9.4 mS $cm^{-1}$이었다. 측정된 결과로부터 본 연구에서 제조한 탄화수소계 멤브레인은 연료전지용 고분자전해질막으로 사용될 수 있다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제53권6호
• /
• pp.690-694
• /
• 2015

최근에 직접 액체 연료전지 중에서 직접 개미산 연료전지(Direct Formic Acid Fuel Cells, DFAFC)가 활발히 연구되고 있다. 불소계막을 대신할 저가의 탄화수소막이 DFAFC막으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 sulfonated poly(ether ether ketone ketone, sPEEK)막과 Poly(arylene ether sulfone)(PAES)막을 사용해 Nafion 막과 그 특성을 DFAFC 조건에서 비교하였다. 탄화수소계막의 개미산 투과 전류밀도가 $240{\sim}250mA/cm^2$로 불소계인 Nafion 211 막의 $600mA/cm^2$보다 낮았다. sPEEK MEA(Membrane and Electrode Assembly)와 Nafion 211 MEA의 막 저항이 서로 비슷해 I-V 성능도 거의 같았다. 개미산 투과도가 낮은 sPEEK MEA가 Nafion 211 MEA보다 안정함을 보였다.

• 멤브레인
• /
• 제27권2호
• /
• pp.182-188
• /
• 2017

본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 전해질막의 화학적 안정성의 향상을 위하여 3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG)과 poly(arylene ether sulfone)(SPAES)을 이용하여 복합막을 제조하였다. 일반적으로 방향족 탄화수소계 고분자막은 전극 부분에서 발생한 라디컬에 의한 고분자 산화가 일어나 내구성이 감소하게 되는데 이는 대부분 주쇄에 포함된 에테르 기 부분의 취약성으로 발생한다. 본 연구에서는 이러한 라디칼에 의한 고분자 주쇄의 산화를 방지하기 위해 친수성의 무기물 입자를 도입하여 이온전도도 감소율을 최소화하고 산화안정성을 높이고자 하였다. 복합막들의 물성 및 전기화학적 특성을 평가하기 위해 접촉각, FT-IR, 이온전도도, 이온교환용량(IEC), 함수율, 열안정성 등을 수행하였다. 실리카의 함량이 0에서 0.5%까지 증가함에 따라 이온전도도 및 함수율은 각각 10% 감소한 0.076 S cm-1 및 16% 감소한 24.6 wt%이었으나, 산화안정성은 10% 향상되었다.

• 멤브레인
• /
• 제25권5호
• /
• pp.456-463
• /
• 2015

본 연구에서는 고온에서 우수한 전도성을 가지는 전해질막의 개발을 위하여 신규한 실란계 무기물을 합성하였으며, 이를 이용하여 제조된 분리막의 특성평가가 진행되었다. 탄화수소계열 고분자인 SPAES를 합성하여 고분자 물질로 사용하였으며, 높은 이온전도성을 가지는 무기물의 제조를 위하여 silica, phosphate, zironium계 물질을 졸겔법을 이용하여 복합화 시켰다. 각 조성의 몰비를 조절하여 세 가지 종류의 무기물을 제조하였으며 조성에 따른 물성변화를 관찰하였다. EDX 분석결과 제조된 무기물은 고분자 분리막 내에 고르게 분산이 되는 것을 확인하였다. 친수성을 가지는 무기물의 도입을 통하여 분리막 내에 이온을 전달할 수 있는 수분채널이 형성되어 함수율이 증가가 됨을 확인하였다. 또한 zirconium계 무기물의 함량이 높을수록 고온에서 전도도가 향상되는 결과를 확인하였으며 복합화된 실리카는 저온 가습조건에서 이온전도도가 향상되는 결과를 나타내었다.