열간 가압 방법을 이용하여 다공성 PTFE 막, 백금 및 모더나이트 입자들을 고분자 막 내부에 분산하여 복합체 막을 제조한 후, 고분자 전해질 연료전지 성능 특성을 연구하였다. 또한, 복합체 막 내부에 분산하는 백금 및 모더나이트 함량 변화가 막의 기계적 물성 및 이온 전도도에 미치는 영향을 연구하였다. 다공성 PTFE 막을 함침한 복합체 막을 제조하기 위하여, perfluorosulfonylfluoride copolymer resin을 열간 가압하여 쉬트 형태로 제조한 후, 다공성 PTFE 막을 함침하였다. 복합체 막에 대하여 기계적 물성을 측정한 결과, 다공성 PTFE 막과 perfluorosulfonylfluoride copolymer resin의 계면 접촉력으로 인하여, ...
열간 가압 방법을 이용하여 다공성 PTFE 막, 백금 및 모더나이트 입자들을 고분자 막 내부에 분산하여 복합체 막을 제조한 후, 고분자 전해질 연료전지 성능 특성을 연구하였다. 또한, 복합체 막 내부에 분산하는 백금 및 모더나이트 함량 변화가 막의 기계적 물성 및 이온 전도도에 미치는 영향을 연구하였다. 다공성 PTFE 막을 함침한 복합체 막을 제조하기 위하여, perfluorosulfonylfluoride copolymer resin을 열간 가압하여 쉬트 형태로 제조한 후, 다공성 PTFE 막을 함침하였다. 복합체 막에 대하여 기계적 물성을 측정한 결과, 다공성 PTFE 막과 perfluorosulfonylfluoride copolymer resin의 계면 접촉력으로 인하여, Nafion 115 막보다 높은 인장 강도와 파괴 강도 값을 얻을 수 있었으며, 이온 전도도는 차이가 없음을 알 수 있었다. 500 mAcm2의 일정 전류 밀도 조건에서, 시간에 따른 단위 전지 전압 안전성을 측정한 결과, 100 시간 이상 일정하게 유지하였다. 자기 가습 복합체 막의 제조를 위해, rf magnetron sputter를 이용하여 고분자 막 내부에 백금을 분산하고, 최적의 제조 조건을 연구하였다. 가습 없는 조건에서 단위 전지 성능을 측정한 결과, 백금을 분산한 복합체 막의 경우, 고분자 막 내부에 분산하고 있는 백금 입자 위에서 수소와 산소의 화학 반응에 의해 물이 생성되어 고분자 막의 수화를 이루었기 때문에 더 높은 성능을 나타내었다. 이러한 결과는 적외선 흡광 분석 결과에서도 확인할 수 있었다. 다양한 백금 함량을 가진 복합체 막을 사용하여 제조한 단위 전지 성능 측정 결과, 고전류 밀도 영역에서 0.15 mgcm2 함량을 가진 복합체 막이 가장 우수한 성능을 나타내었고, 200 mAcm2 전류 밀도 조건에서도 가장 우수한 전지 전압 안정성과 가장 낮은 저항값을 보였다.H+-형태의 모더나이트 분말을 고분자 막 내부에 분산하여, 100 oC 이상의 고온에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지용 복합체 막을 제조하였다. 100 oC 이상에서 고분자 전해질 연료전지를 작동하면, 연료극의 CO 피독 현상을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기체 활성 증가로 인하여 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 고온 영역에서 복합체 막의 기계적 물성과 이온 전도도 측정 결과, 모더나이트 함량이 증가함에 따라 모더나이트 내부에 존재하는 물의 늦은 탈수 속도 때문에 복합체 막의 이온 전도도는 증가하였다. 또한, 130 oC 온도 조건에서 전지 전압-전류 특성을 관찰한 결과, 10 wt.% 모더나이트를 함유하고 있는 복합체 막이 전체 전류 밀도 영역에서 가장 높은 성능을 보였다. 이는 10 wt.% 모더나이트를 함유한 복합체 막의 경우, 다른 조성보다 더 많이 물을 함유하고 있다는 것을 의미한다. 따라서, 모더나이트를 분산한 복합체 막의 경우, 100 oC 이상의 고온에서 사용하기에 적합함을 알 수 있었다.
열간 가압 방법을 이용하여 다공성 PTFE 막, 백금 및 모더나이트 입자들을 고분자 막 내부에 분산하여 복합체 막을 제조한 후, 고분자 전해질 연료전지 성능 특성을 연구하였다. 또한, 복합체 막 내부에 분산하는 백금 및 모더나이트 함량 변화가 막의 기계적 물성 및 이온 전도도에 미치는 영향을 연구하였다. 다공성 PTFE 막을 함침한 복합체 막을 제조하기 위하여, perfluorosulfonylfluoride copolymer resin을 열간 가압하여 쉬트 형태로 제조한 후, 다공성 PTFE 막을 함침하였다. 복합체 막에 대하여 기계적 물성을 측정한 결과, 다공성 PTFE 막과 perfluorosulfonylfluoride copolymer resin의 계면 접촉력으로 인하여, Nafion 115 막보다 높은 인장 강도와 파괴 강도 값을 얻을 수 있었으며, 이온 전도도는 차이가 없음을 알 수 있었다. 500 mAcm2의 일정 전류 밀도 조건에서, 시간에 따른 단위 전지 전압 안전성을 측정한 결과, 100 시간 이상 일정하게 유지하였다. 자기 가습 복합체 막의 제조를 위해, rf magnetron sputter를 이용하여 고분자 막 내부에 백금을 분산하고, 최적의 제조 조건을 연구하였다. 가습 없는 조건에서 단위 전지 성능을 측정한 결과, 백금을 분산한 복합체 막의 경우, 고분자 막 내부에 분산하고 있는 백금 입자 위에서 수소와 산소의 화학 반응에 의해 물이 생성되어 고분자 막의 수화를 이루었기 때문에 더 높은 성능을 나타내었다. 이러한 결과는 적외선 흡광 분석 결과에서도 확인할 수 있었다. 다양한 백금 함량을 가진 복합체 막을 사용하여 제조한 단위 전지 성능 측정 결과, 고전류 밀도 영역에서 0.15 mgcm2 함량을 가진 복합체 막이 가장 우수한 성능을 나타내었고, 200 mAcm2 전류 밀도 조건에서도 가장 우수한 전지 전압 안정성과 가장 낮은 저항값을 보였다.H+-형태의 모더나이트 분말을 고분자 막 내부에 분산하여, 100 oC 이상의 고온에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지용 복합체 막을 제조하였다. 100 oC 이상에서 고분자 전해질 연료전지를 작동하면, 연료극의 CO 피독 현상을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기체 활성 증가로 인하여 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 고온 영역에서 복합체 막의 기계적 물성과 이온 전도도 측정 결과, 모더나이트 함량이 증가함에 따라 모더나이트 내부에 존재하는 물의 늦은 탈수 속도 때문에 복합체 막의 이온 전도도는 증가하였다. 또한, 130 oC 온도 조건에서 전지 전압-전류 특성을 관찰한 결과, 10 wt.% 모더나이트를 함유하고 있는 복합체 막이 전체 전류 밀도 영역에서 가장 높은 성능을 보였다. 이는 10 wt.% 모더나이트를 함유한 복합체 막의 경우, 다른 조성보다 더 많이 물을 함유하고 있다는 것을 의미한다. 따라서, 모더나이트를 분산한 복합체 막의 경우, 100 oC 이상의 고온에서 사용하기에 적합함을 알 수 있었다.
The performance characteristics of composite electrolyte membrane prepared by using hot press method have been studied for application to proton exchange membrane fuel cell with varying the embedded materials in the membrane, such as porous PTFE membrane, Pt particle, and mordenite powder. Then, on ...
The performance characteristics of composite electrolyte membrane prepared by using hot press method have been studied for application to proton exchange membrane fuel cell with varying the embedded materials in the membrane, such as porous PTFE membrane, Pt particle, and mordenite powder. Then, on the basis of these results, the effect of Pt on mechanical properties and ionic conductivity and mordenite contents in the composite electrolyte membrane was also investigated.In order to prepare the composite electrolyte membrane dispersed porous PTFE membrane, perfluorosulfonylfluoride copolymer resin was hot pressed into a sheet. New preparative technique was adopted by sandwich porous PTFE membrane in the pre-formed copolymer sheet. From the results of mechanical properties, the composite electrolyte membrane showed higher performance than Nafion 115 membrane due to the interfacial contact between porous PTFE membrane and perfluorosulfonylfluoride copolymer resin. The stability of the single cell using composite electrolyte membrane was examined for 100 hr under the application of a constant load of 500 mAcm2. The self-humidifying composite electrolyte membrane was composed of two membranes consisted of perfluorosulfonylfluoride copolymer resin and fine Pt particles lying between them coated by a sputtering method. From the comparison of performance for the single cells using self-humidifying and as received membranes, higher performance of self-humidifying cell was attributed to the fact that the presence of Pt particles in the membrane increases the proton conductivity of the membrane, due to the generation of water molecules on the Pt particles by the recombination of permeated hydrogen and oxygen. The mechanism for water production is strongly substantiated by the experimental result from IR spectrum with absorption peaks corresponding to the characteristic OH stretching bond, observed only in the case of the self-humidifying membrane kept in hydrogen and oxygen mixture gases. The effect of Pt loading in the self-humidifying composite electrolyte membrane for proton exchange membrane fuel cell on the water uptake was investigated. The optimum amount of Pt particles embedded in the membrane for the self-humidifying composite electrolyte membrane fuel cell was determined to be about 0.15 mgcm2, based upon the measurements of single cell performance characteristics and resistance. Nafionmordenite composite electrolyte membranes for the operation of proton exchange membrane fuel cells above 100 oC were prepared by mixing of H+-form mordenite powders and perfluorosulfonylfluoride copolymer resins. The proton exchange membrane fuel cell operated above 100 oC reduces CO poisoning as well as passivation of the Pt anode electrocatalyst by other condensable species. The physico-chemical properties of composite electrolyte membranes were investigated by mechanical property and proton conductivity measurements. As the mordenite content increases, at the high temperature region, the proton conductivity of composite electrolyte membranes increased due to the late dehydration rate of existent water in the mordenite. Also, from the results of current-voltage relationship for single cells under 130 oC, the composite electrolyte membrane cell with 10 wt.% mordenite showed better performance than that of the others over the entire current density range. This result indicated that the existent water in the composite membrane containing 10 wt.% mordenite was higher than that with the others, thereby maintaining its conductivity. The Nafionmordenite composite electrolyte membrane prepared by this present method is thought to be a satisfactory proton exchange membrane for proton exchange membrane fuel cell operation above 100 oC.
The performance characteristics of composite electrolyte membrane prepared by using hot press method have been studied for application to proton exchange membrane fuel cell with varying the embedded materials in the membrane, such as porous PTFE membrane, Pt particle, and mordenite powder. Then, on the basis of these results, the effect of Pt on mechanical properties and ionic conductivity and mordenite contents in the composite electrolyte membrane was also investigated.In order to prepare the composite electrolyte membrane dispersed porous PTFE membrane, perfluorosulfonylfluoride copolymer resin was hot pressed into a sheet. New preparative technique was adopted by sandwich porous PTFE membrane in the pre-formed copolymer sheet. From the results of mechanical properties, the composite electrolyte membrane showed higher performance than Nafion 115 membrane due to the interfacial contact between porous PTFE membrane and perfluorosulfonylfluoride copolymer resin. The stability of the single cell using composite electrolyte membrane was examined for 100 hr under the application of a constant load of 500 mAcm2. The self-humidifying composite electrolyte membrane was composed of two membranes consisted of perfluorosulfonylfluoride copolymer resin and fine Pt particles lying between them coated by a sputtering method. From the comparison of performance for the single cells using self-humidifying and as received membranes, higher performance of self-humidifying cell was attributed to the fact that the presence of Pt particles in the membrane increases the proton conductivity of the membrane, due to the generation of water molecules on the Pt particles by the recombination of permeated hydrogen and oxygen. The mechanism for water production is strongly substantiated by the experimental result from IR spectrum with absorption peaks corresponding to the characteristic OH stretching bond, observed only in the case of the self-humidifying membrane kept in hydrogen and oxygen mixture gases. The effect of Pt loading in the self-humidifying composite electrolyte membrane for proton exchange membrane fuel cell on the water uptake was investigated. The optimum amount of Pt particles embedded in the membrane for the self-humidifying composite electrolyte membrane fuel cell was determined to be about 0.15 mgcm2, based upon the measurements of single cell performance characteristics and resistance. Nafionmordenite composite electrolyte membranes for the operation of proton exchange membrane fuel cells above 100 oC were prepared by mixing of H+-form mordenite powders and perfluorosulfonylfluoride copolymer resins. The proton exchange membrane fuel cell operated above 100 oC reduces CO poisoning as well as passivation of the Pt anode electrocatalyst by other condensable species. The physico-chemical properties of composite electrolyte membranes were investigated by mechanical property and proton conductivity measurements. As the mordenite content increases, at the high temperature region, the proton conductivity of composite electrolyte membranes increased due to the late dehydration rate of existent water in the mordenite. Also, from the results of current-voltage relationship for single cells under 130 oC, the composite electrolyte membrane cell with 10 wt.% mordenite showed better performance than that of the others over the entire current density range. This result indicated that the existent water in the composite membrane containing 10 wt.% mordenite was higher than that with the others, thereby maintaining its conductivity. The Nafionmordenite composite electrolyte membrane prepared by this present method is thought to be a satisfactory proton exchange membrane for proton exchange membrane fuel cell operation above 100 oC.
주제어
#연료 전지[燃料電池] 고분자 연료전지 복합체 전해질 막 이온 전도도 CHARACTERISTICS COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE PROTON EXCHANGE FUEL CELL 세라믹공학
학위논문 정보
저자
곽상희
학위수여기관
연세대학교
학위구분
국내박사
학과
세라믹공학과
발행연도
2004
총페이지
xi, 151장
키워드
연료 전지[燃料電池] 고분자 연료전지 복합체 전해질 막 이온 전도도 CHARACTERISTICS COMPOSITE ELECTROLYTE MEMBRANE PROTON EXCHANGE FUEL CELL 세라믹공학
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