고분자 전해질 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기화학반응을 통해 직접적으로 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환장치를 의미한다. 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 소재인 고분자 전해질 막은 이온을 이동시킴과 동시에 연료기체를 차단하는 역할을 한다. 고분자 전해질 막은 열화학적 내구성과 우수한 기계적 강도, 높은 수소이온전도성, 높은 연료차단성 등이 요구된다. 대표적인 소재로 과불소계 술폰산 이오노머인 DuPont®사의 Nafion®이 있다. Nafion®은 우수한 화학적 내구성과 가습상태에서의 높은 수소이온전도성을 갖는 반면 연료전지 구동 시 고온, 저가습 조건하에서 수소이온전도성 유지가 어렵다는 단점이 있다. 그에 대안으로 여겨지는 소재로 가변적으로 수소이온전도성을 조절할 수 있고, 낮은 기체투과도를 갖는 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 이오노머가 고려되고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 연료전지 구동 시 가습조건에서의 높은 팽윤도와 무가습조건에서의 치수변화가 높아 촉매층과의 ...
고분자 전해질 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기화학반응을 통해 직접적으로 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환장치를 의미한다. 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 소재인 고분자 전해질 막은 이온을 이동시킴과 동시에 연료기체를 차단하는 역할을 한다. 고분자 전해질 막은 열화학적 내구성과 우수한 기계적 강도, 높은 수소이온전도성, 높은 연료차단성 등이 요구된다. 대표적인 소재로 과불소계 술폰산 이오노머인 DuPont®사의 Nafion®이 있다. Nafion®은 우수한 화학적 내구성과 가습상태에서의 높은 수소이온전도성을 갖는 반면 연료전지 구동 시 고온, 저가습 조건하에서 수소이온전도성 유지가 어렵다는 단점이 있다. 그에 대안으로 여겨지는 소재로 가변적으로 수소이온전도성을 조절할 수 있고, 낮은 기체투과도를 갖는 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 이오노머가 고려되고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 연료전지 구동 시 가습조건에서의 높은 팽윤도와 무가습조건에서의 치수변화가 높아 촉매층과의 박리 현상이 발생하는 문제가 있다. 본 연구에서는 상기 문제를 해결하기 위한 방책으로 화학적 내구성이 우수한 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체의 기공 내에 이오노머를 함침 시켜 강화막을 제조하는 방법이 시도되었다. 함침 시 PTFE 지지체로의 자발적 함침을 유도하기 위해, SPAES 이오노머를 물과 알코올 혼합용매에 나노분산시키는 기술을 개발하였고, 나노분산용매의 낮은 비점 문제로 인한 막 형성 시 약화되는 기계적 강도 이슈를 해결하기 위한 유리전이온도 제어기술을 도입하였다. 제조된 강화막은 우수한 치수 안정성과 높은 수소이온전도성, 수소기체를 기계적 자극을 가하는 가스로 도입시켰을 때의 우수한 기계적 저항성, 향상된 단위전지 성능을 보였다.
고분자 전해질 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기화학반응을 통해 직접적으로 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환장치를 의미한다. 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 소재인 고분자 전해질 막은 이온을 이동시킴과 동시에 연료기체를 차단하는 역할을 한다. 고분자 전해질 막은 열화학적 내구성과 우수한 기계적 강도, 높은 수소이온전도성, 높은 연료차단성 등이 요구된다. 대표적인 소재로 과불소계 술폰산 이오노머인 DuPont®사의 Nafion®이 있다. Nafion®은 우수한 화학적 내구성과 가습상태에서의 높은 수소이온전도성을 갖는 반면 연료전지 구동 시 고온, 저가습 조건하에서 수소이온전도성 유지가 어렵다는 단점이 있다. 그에 대안으로 여겨지는 소재로 가변적으로 수소이온전도성을 조절할 수 있고, 낮은 기체투과도를 갖는 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 이오노머가 고려되고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 연료전지 구동 시 가습조건에서의 높은 팽윤도와 무가습조건에서의 치수변화가 높아 촉매층과의 박리 현상이 발생하는 문제가 있다. 본 연구에서는 상기 문제를 해결하기 위한 방책으로 화학적 내구성이 우수한 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체의 기공 내에 이오노머를 함침 시켜 강화막을 제조하는 방법이 시도되었다. 함침 시 PTFE 지지체로의 자발적 함침을 유도하기 위해, SPAES 이오노머를 물과 알코올 혼합용매에 나노분산시키는 기술을 개발하였고, 나노분산용매의 낮은 비점 문제로 인한 막 형성 시 약화되는 기계적 강도 이슈를 해결하기 위한 유리전이온도 제어기술을 도입하였다. 제조된 강화막은 우수한 치수 안정성과 높은 수소이온전도성, 수소기체를 기계적 자극을 가하는 가스로 도입시켰을 때의 우수한 기계적 저항성, 향상된 단위전지 성능을 보였다.
Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEFCs) are power generation devices to generate electricity directly from chemical energy of fuels via electrochemical reaction. One of key materials to determine PEFCs performances is a polymer electrolyte membrane (PEM) which transports proton selectively f...
Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEFCs) are power generation devices to generate electricity directly from chemical energy of fuels via electrochemical reaction. One of key materials to determine PEFCs performances is a polymer electrolyte membrane (PEM) which transports proton selectively from anode to cathode and blocks fuel gases at the same time. PEM materials need thermochemical durability, excellent mechanical strength, high proton conductivity, and high fuel barrier properties. The representative PEM materials are perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers such as Nafion® with excellent chemical durability and high proton conductivity. However, PFSA ionomers have high production cost and severe loss in proton conductivity in the dry state. Meanwhile, sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) ionomers have been perceived as alternatives to PFSA ionomers owing to their cheap production cost, high tunability of proton, and gas transport behavior. In spite of their advantages, SPAES membranes have been suffering from delamination of catalyst layers from them during harsh PEFCs operation. In this study, reinforced membranes were fabricated by impregnating SPAES ionomers into porous polytetrafluoroethylene (PTFE) support film with excellent chemical durability. In order to induce spontaneous impregnation to porous PTFE support film, we developed SPAES ionomers nano-dispersed in a water-alcohol mixture. In addition, glass transition temperature control was used to solve mechanical brittleness derived from low boiling point of the solvent mixture. The resulting reinforced membranes showed excellent dimensional stability, high proton conductivity, excellent mechanical resistance to repeated hydrogen gas stimulus, and improved single cell performances.
Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEFCs) are power generation devices to generate electricity directly from chemical energy of fuels via electrochemical reaction. One of key materials to determine PEFCs performances is a polymer electrolyte membrane (PEM) which transports proton selectively from anode to cathode and blocks fuel gases at the same time. PEM materials need thermochemical durability, excellent mechanical strength, high proton conductivity, and high fuel barrier properties. The representative PEM materials are perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers such as Nafion® with excellent chemical durability and high proton conductivity. However, PFSA ionomers have high production cost and severe loss in proton conductivity in the dry state. Meanwhile, sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) ionomers have been perceived as alternatives to PFSA ionomers owing to their cheap production cost, high tunability of proton, and gas transport behavior. In spite of their advantages, SPAES membranes have been suffering from delamination of catalyst layers from them during harsh PEFCs operation. In this study, reinforced membranes were fabricated by impregnating SPAES ionomers into porous polytetrafluoroethylene (PTFE) support film with excellent chemical durability. In order to induce spontaneous impregnation to porous PTFE support film, we developed SPAES ionomers nano-dispersed in a water-alcohol mixture. In addition, glass transition temperature control was used to solve mechanical brittleness derived from low boiling point of the solvent mixture. The resulting reinforced membranes showed excellent dimensional stability, high proton conductivity, excellent mechanical resistance to repeated hydrogen gas stimulus, and improved single cell performances.
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