본 연구에서는 데칼 방법을 이용하여 수소에너지 변환용 막-전극접합체를 제작하였다. 전극 촉매층을 구현할 때 사용되는 촉매 잉크는 촉매, 이오노머 용액 및 잉크 점도의 조절을 위한 추가용매로 구성 된다. 구성요소 중 이오노머 용액 및 용매를 다양화하여 이오노머 용액에 따른 촉매층 성능의 변화에 대한 연구를 진행하였다. 상용 이오노머 바인더는 Aquivion EW720, Aquivion EW980, ...
본 연구에서는 데칼 방법을 이용하여 수소에너지 변환용 막-전극접합체를 제작하였다. 전극 촉매층을 구현할 때 사용되는 촉매 잉크는 촉매, 이오노머 용액 및 잉크 점도의 조절을 위한 추가용매로 구성 된다. 구성요소 중 이오노머 용액 및 용매를 다양화하여 이오노머 용액에 따른 촉매층 성능의 변화에 대한 연구를 진행하였다. 상용 이오노머 바인더는 Aquivion EW720, Aquivion EW980, Nafion EW1000, Nafion EW1100 그리고 3M EW725를 사용하였으며 이오노머 용액의 용매로는 D.W., 1-propanol, 2-propanol 및 propylene glycol을 사용하였다. Propylene glycol을 통해 이오노머 용액의 용매 단일화를 진행하였고, 용액들의 TGA분석 결과 모두 10 wt.%의 용매대체 용액으로 제조되었음을 확인하였다. 또한 DLS분석을 통하여 propylene glycol 기반의 용매에서 이오노머 입자의 크기가 D.W./alcohol 기반 상용 이오노머 내 입자보다 작고 균일해짐을 확인하였고, 이를 바탕으로 두 가지의 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험은 서로 다른 용매를 통해 제작된 이오노머 용액을 통해 실리콘웨이퍼 표면에 자가조립 방법으로 이오노머 박막을 증착시킴으로서 연구를 진행하였다. 첫 번째로 XPS를 통해 박막이 형성됨을 확인하였다. 그 후 ellipsometry를 통해 이오노머 박막의 두께를 측정하였다. 그 결과 첫 번째로 고분자의 곁사슬이 짧을수록 두꺼운 이오노머 박막이 형성됨을 알 수 있었으며, 두 번째로 고분자의 곁사슬의 길이가 동일할 때 EW가 클수록 박막이 두껍게 형성되며, 세 번째로 고분자의 곁사슬의 길이가 동일할 때 이오노머 입자크기가 작으면 박막이 두껍게 형성된다는 세 가지의 상관관계를 알 수 있었다. 또한 이오노머 용액의 주된 용매에 따라서 이오노머 박막의 표면 특성이 달라짐을 접촉각 측정기를 통해 확인할 수 있었다. D.W. 기반의 이오노머 용액을 통해 제작된 박막은 친수성의 표면을 보였고 2-propanol, propylene glycol기반의 이오노머 용액을 통해 제작된 박막은 소수성의 표면을 보였다. 두 번째 실험은 수소기반 에너지 변환 기기에서 전기화학적 성능평가를 진행하였다. 성능 평가 결과 상용 이오노머 용액을 사용한 촉매층보다 propylene glycol 기반의 이오노머 용액을 사용한 촉매층에서 더 높은 성능을 보였다. 이의 결과로 용매대체 이오노머 용액을 통한 촉매층의 성능의 증가를 확인하였다. 이는 두꺼운 박막의 형성을 보인 이오노머 용액을 통해 제작된 촉매층에서 높은 성능을 보인 것이다. 이러한 결과는 상대습도 70% 및 상대습도 100%의 두 조건에서 연료전지 평가를 통해 확인한 결과 촉매층 내 이오노머 박막이 두꺼워짐에 따라 외부가습조건 변화에 있어 유리하여 높은 성능을 보일 수 있었다는 결론을 도출하였다. 수전해용 촉매층은 두 종류의 이오노머 용액을 적용하여 만든 MEA의 평가를 통해 진행하였다. Aquivion EW720 in propylene glycol의 이오노머 용액을 적용하여 만은 MEA가 1.8V에서 2.57A/cm2의 성능을 보였으며 Nafion EW1100 in propylene glycol을 적용하여 만든 MEA가 1.8V에서 0.36A/cm2의 성능을 보였다. 성능 평가 결과 Aquivion EW720 in propylene glycol을 사용한 촉매층이 Nafion EW1100 in propylene glycol의 이오노머 용액을 사용한 촉매층보다 높은 성능을 보였다. 이 역시도 두꺼운 박막의 형성을 보인 이오노머 용액을 통해 제작된 촉매층에서 높은 성능을 보인 것이다. 이러한 결과는 이오노머 용액에 따라 촉매층에서 형성되는 이오노머 박막의 두께가 달라지며, 형성된 이오노머 박막의 두께는 수소기반 에너지 변환기기의 촉매층 성능에 큰 영향을 주는 것으로 볼 수 있다.
본 연구에서는 데칼 방법을 이용하여 수소에너지 변환용 막-전극접합체를 제작하였다. 전극 촉매층을 구현할 때 사용되는 촉매 잉크는 촉매, 이오노머 용액 및 잉크 점도의 조절을 위한 추가용매로 구성 된다. 구성요소 중 이오노머 용액 및 용매를 다양화하여 이오노머 용액에 따른 촉매층 성능의 변화에 대한 연구를 진행하였다. 상용 이오노머 바인더는 Aquivion EW720, Aquivion EW980, Nafion EW1000, Nafion EW1100 그리고 3M EW725를 사용하였으며 이오노머 용액의 용매로는 D.W., 1-propanol, 2-propanol 및 propylene glycol을 사용하였다. Propylene glycol을 통해 이오노머 용액의 용매 단일화를 진행하였고, 용액들의 TGA분석 결과 모두 10 wt.%의 용매대체 용액으로 제조되었음을 확인하였다. 또한 DLS분석을 통하여 propylene glycol 기반의 용매에서 이오노머 입자의 크기가 D.W./alcohol 기반 상용 이오노머 내 입자보다 작고 균일해짐을 확인하였고, 이를 바탕으로 두 가지의 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험은 서로 다른 용매를 통해 제작된 이오노머 용액을 통해 실리콘웨이퍼 표면에 자가조립 방법으로 이오노머 박막을 증착시킴으로서 연구를 진행하였다. 첫 번째로 XPS를 통해 박막이 형성됨을 확인하였다. 그 후 ellipsometry를 통해 이오노머 박막의 두께를 측정하였다. 그 결과 첫 번째로 고분자의 곁사슬이 짧을수록 두꺼운 이오노머 박막이 형성됨을 알 수 있었으며, 두 번째로 고분자의 곁사슬의 길이가 동일할 때 EW가 클수록 박막이 두껍게 형성되며, 세 번째로 고분자의 곁사슬의 길이가 동일할 때 이오노머 입자크기가 작으면 박막이 두껍게 형성된다는 세 가지의 상관관계를 알 수 있었다. 또한 이오노머 용액의 주된 용매에 따라서 이오노머 박막의 표면 특성이 달라짐을 접촉각 측정기를 통해 확인할 수 있었다. D.W. 기반의 이오노머 용액을 통해 제작된 박막은 친수성의 표면을 보였고 2-propanol, propylene glycol기반의 이오노머 용액을 통해 제작된 박막은 소수성의 표면을 보였다. 두 번째 실험은 수소기반 에너지 변환 기기에서 전기화학적 성능평가를 진행하였다. 성능 평가 결과 상용 이오노머 용액을 사용한 촉매층보다 propylene glycol 기반의 이오노머 용액을 사용한 촉매층에서 더 높은 성능을 보였다. 이의 결과로 용매대체 이오노머 용액을 통한 촉매층의 성능의 증가를 확인하였다. 이는 두꺼운 박막의 형성을 보인 이오노머 용액을 통해 제작된 촉매층에서 높은 성능을 보인 것이다. 이러한 결과는 상대습도 70% 및 상대습도 100%의 두 조건에서 연료전지 평가를 통해 확인한 결과 촉매층 내 이오노머 박막이 두꺼워짐에 따라 외부가습조건 변화에 있어 유리하여 높은 성능을 보일 수 있었다는 결론을 도출하였다. 수전해용 촉매층은 두 종류의 이오노머 용액을 적용하여 만든 MEA의 평가를 통해 진행하였다. Aquivion EW720 in propylene glycol의 이오노머 용액을 적용하여 만은 MEA가 1.8V에서 2.57A/cm2의 성능을 보였으며 Nafion EW1100 in propylene glycol을 적용하여 만든 MEA가 1.8V에서 0.36A/cm2의 성능을 보였다. 성능 평가 결과 Aquivion EW720 in propylene glycol을 사용한 촉매층이 Nafion EW1100 in propylene glycol의 이오노머 용액을 사용한 촉매층보다 높은 성능을 보였다. 이 역시도 두꺼운 박막의 형성을 보인 이오노머 용액을 통해 제작된 촉매층에서 높은 성능을 보인 것이다. 이러한 결과는 이오노머 용액에 따라 촉매층에서 형성되는 이오노머 박막의 두께가 달라지며, 형성된 이오노머 박막의 두께는 수소기반 에너지 변환기기의 촉매층 성능에 큰 영향을 주는 것으로 볼 수 있다.
In this study, a membrane-electrode assembly for hydrogen energy conversion was produced using the decal method. The catalyst ink used when implementing the electrode catalyst layer is composed of a catalyst, ionomer solution, and additional solvent for adjusting the ink viscosity. A study on the ch...
In this study, a membrane-electrode assembly for hydrogen energy conversion was produced using the decal method. The catalyst ink used when implementing the electrode catalyst layer is composed of a catalyst, ionomer solution, and additional solvent for adjusting the ink viscosity. A study on the change of the catalyst layer performance according to the ionomer solution was conducted by diversifying the ionomer solution and solvent among the components. The commercial ionomer binders used Aquivion EW720, Aquivion EW980, Nafion EW1000, Nafion EW1100, and 3M EW725. And D.W., 1-propanol, 2-propanol, and propylene glycol were used as solvents for the ionomer solution. The solvent unification of the ionomer solution was carried out through propylene glycol, and TGA analysis of the solutions is confirmed that all were prepared with a solvent replacement solution of 10 wt.%. In addition, through the DLS analysis, it was confirmed that the size of ionomer particles in the propylene glycol-based solvent was smaller and more uniform than those in commercial ionomers based on D.W./alcohol. Based on this, two experiments were conducted. The first experiment was carried out by depositing an ionomer thin film on the surface of a silicon wafer with the self-assembly method through ionomer solutions prepared by different solvents. First, it was confirmed that a thin film was formed through XPS. Then, the thickness of the ionomer thin film was measured by the ellipsometry. As a result, three correlations were observed that firstly, the shorter the side chain of the polymer, the thicker ionomer thin film was formed, secondly, when the length of the side chain of the polymer is the same, the larger EW, the thicker thin film is formed, thirdly, if the ionomer particle size is small, the thicker thin film is formed when the length of the side chain of the polymer is the same. In addition, through the contact angle measuring device, it was confirmed that the surface characteristics of the ionomer thin film was varying according to the main solvent of the ionomer solution. Thin films made from D.W.-based ionomer solutions showed hydrophilic surfaces and thin films made from 2-propanol and propylene glycol-based ionomer solutions showed hydrophobic surfaces. The second experiment was carried out to evaluate the electrochemical performance of a hydrogen-based energy conversion device. As a result of the performance evaluation, the catalyst layer using the propylene glycol-based ionomer solution showed higher performance than the catalyst layer using the commercial ionomer solution. An increase in the performance of the catalyst layer through the solvent replacement ionomer solution was confirmed through this result. This demonstrated high performance in the catalyst layer produced through the ionomer solution showing the formation of a thick-thin film. These results led to conclusions that through fuel cell evaluation under two conditions of 70% relative humidity and 100% relative humidity, it could show high performance because it was advantageous to the change of external humidification conditions as the ionomer thin film in the catalyst layer became thicker. The catalyst layer for electrolysis of steam was carried out through the evaluation of MEA made by applying two kinds of ionomer solutions. MEA made with Aquivion EW720 in propylene glycol ionomer showed 2.57A/cm2 at 1.8V and MEA made with Nafion EW1100 in propylene glycol showed 0.36A/cm2 at 1.8V. As a result of performance evaluation, the catalyst layer using Aquivion EW720 in propylene glycol showed higher performance than the catalyst layer using the ionomer solution of Nafion EW1100 in propylene glycol. This also showed high performance in the catalyst layer produced through the ionomer solution showing the formation of a thick-thin film. These results show that the thickness of the ionomer thin film formed at the catalyst layer varies depending on the ionomer solution, and the thickness of the formed ionomer thin film has a big influence on the catalyst layer performance of the hydrogen-based energy conversion devices.
In this study, a membrane-electrode assembly for hydrogen energy conversion was produced using the decal method. The catalyst ink used when implementing the electrode catalyst layer is composed of a catalyst, ionomer solution, and additional solvent for adjusting the ink viscosity. A study on the change of the catalyst layer performance according to the ionomer solution was conducted by diversifying the ionomer solution and solvent among the components. The commercial ionomer binders used Aquivion EW720, Aquivion EW980, Nafion EW1000, Nafion EW1100, and 3M EW725. And D.W., 1-propanol, 2-propanol, and propylene glycol were used as solvents for the ionomer solution. The solvent unification of the ionomer solution was carried out through propylene glycol, and TGA analysis of the solutions is confirmed that all were prepared with a solvent replacement solution of 10 wt.%. In addition, through the DLS analysis, it was confirmed that the size of ionomer particles in the propylene glycol-based solvent was smaller and more uniform than those in commercial ionomers based on D.W./alcohol. Based on this, two experiments were conducted. The first experiment was carried out by depositing an ionomer thin film on the surface of a silicon wafer with the self-assembly method through ionomer solutions prepared by different solvents. First, it was confirmed that a thin film was formed through XPS. Then, the thickness of the ionomer thin film was measured by the ellipsometry. As a result, three correlations were observed that firstly, the shorter the side chain of the polymer, the thicker ionomer thin film was formed, secondly, when the length of the side chain of the polymer is the same, the larger EW, the thicker thin film is formed, thirdly, if the ionomer particle size is small, the thicker thin film is formed when the length of the side chain of the polymer is the same. In addition, through the contact angle measuring device, it was confirmed that the surface characteristics of the ionomer thin film was varying according to the main solvent of the ionomer solution. Thin films made from D.W.-based ionomer solutions showed hydrophilic surfaces and thin films made from 2-propanol and propylene glycol-based ionomer solutions showed hydrophobic surfaces. The second experiment was carried out to evaluate the electrochemical performance of a hydrogen-based energy conversion device. As a result of the performance evaluation, the catalyst layer using the propylene glycol-based ionomer solution showed higher performance than the catalyst layer using the commercial ionomer solution. An increase in the performance of the catalyst layer through the solvent replacement ionomer solution was confirmed through this result. This demonstrated high performance in the catalyst layer produced through the ionomer solution showing the formation of a thick-thin film. These results led to conclusions that through fuel cell evaluation under two conditions of 70% relative humidity and 100% relative humidity, it could show high performance because it was advantageous to the change of external humidification conditions as the ionomer thin film in the catalyst layer became thicker. The catalyst layer for electrolysis of steam was carried out through the evaluation of MEA made by applying two kinds of ionomer solutions. MEA made with Aquivion EW720 in propylene glycol ionomer showed 2.57A/cm2 at 1.8V and MEA made with Nafion EW1100 in propylene glycol showed 0.36A/cm2 at 1.8V. As a result of performance evaluation, the catalyst layer using Aquivion EW720 in propylene glycol showed higher performance than the catalyst layer using the ionomer solution of Nafion EW1100 in propylene glycol. This also showed high performance in the catalyst layer produced through the ionomer solution showing the formation of a thick-thin film. These results show that the thickness of the ionomer thin film formed at the catalyst layer varies depending on the ionomer solution, and the thickness of the formed ionomer thin film has a big influence on the catalyst layer performance of the hydrogen-based energy conversion devices.
주제어
#PEM, Fuel cell, Water electrolysis, Electrode, Catalyst, Ionomer, MEA
학위논문 정보
저자
박종혁
학위수여기관
상명대학교 일반대학원,
학위구분
국내석사
학과
그린화학공학과,
지도교수
박진수
발행연도
2020
총페이지
100 p.:
키워드
PEM, Fuel cell, Water electrolysis, Electrode, Catalyst, Ionomer, MEA
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