알칼라인 수전해용 지르코니아 나노입자와 perfluorosulfonic acid/polysulfone 기반 다공성 분리막 Diaphragms based on zirconia nanoparticles and perfluorosulfonic acid/polysulfone for alkaline water electrolysis application원문보기
전 세계적으로 환경오염과 이상기후로 인해 재생에너지와 연계한 수소 에너지 전환기술로 수전해 기술이 필요하다. 알칼라인 수전해는 오랜기간 성숙한 기술로 귀금속 촉매를 사용하지않아 저렴하고 대용량으로 설치하기 적합하다. 하지만 알칼라인 수전해는 낮은 효율(0.4A cm -2 )과 높은 수소투과도로 인한 산소의 수소농도의 혼합비가 늘어나 화재나 폭발의 위험 성이 있다. 따라서 재생에너지와 연계하는 알칼라인 수전해 시스템에서 효율과 안정성을 올리기 위해 낮은 막저항과 높은 기체투과차단성을 가지는 분리막의 개발하고자 필요하다. 본 연구에서는 다공성 분리막의 이온 전도성을 향상 시키고 기체투과도를 감소시키기 위해 ...
전 세계적으로 환경오염과 이상기후로 인해 재생에너지와 연계한 수소 에너지 전환기술로 수전해 기술이 필요하다. 알칼라인 수전해는 오랜기간 성숙한 기술로 귀금속 촉매를 사용하지않아 저렴하고 대용량으로 설치하기 적합하다. 하지만 알칼라인 수전해는 낮은 효율(0.4A cm -2 )과 높은 수소투과도로 인한 산소의 수소농도의 혼합비가 늘어나 화재나 폭발의 위험 성이 있다. 따라서 재생에너지와 연계하는 알칼라인 수전해 시스템에서 효율과 안정성을 올리기 위해 낮은 막저항과 높은 기체투과차단성을 가지는 분리막의 개발하고자 필요하다. 본 연구에서는 다공성 분리막의 이온 전도성을 향상 시키고 기체투과도를 감소시키기 위해 친수성고분자로 P FSA를 PSU와 혼합하여 고분자 바인더로 사용하였다. 혼합한 고분자 바인더와 지르코니아나노입자를 섞은 슬러리를 polyphenylenesulfide(PPS) 지지체에 코팅한 후 nonsolvent induced phase separation(NIPS) method 로 다공성 분리막을 제조하였다. 제조된 다공성 분리막에 기체투과 차단 성을 더욱 향상시키기 위하여 친수성 고분자인 polyvinyl alcohol(PVA)이 가교화된 코팅층을 도입하고 glutaldehyde(GA) 가교제를 통해 가교하였 다. 결과적으로, PVA 코팅된 PSU/PFSA 기반 다공성 분리막인 cPS/F-5 는 Zirfon에 비해 54% 작은 알칼리 테스트 무게감소율(1.74%), 221% 큰 bubble point(6.97 bar), 94% 작은 용존수소투과도(0.29 × 10 -11 mol s -1 bar-1 ), 그리고 48% 작은 막저항(0.134 cm 2 ), 32.6배큰 selectivity 그리고 1.82V에서 Zirfon(415 mA cm -2 )에 비해 25% 향상된 수전해 성능(520 m A cm -2 )을 보여준다. 따라서 PVA 코팅된 PSU/PFSA 기반 다공성 분리 막은 기존 상용막인 Zirfon보다 높은 기체투과 차단성과 수전해 효율을 갖는 재생에너지 연계 알칼라인 수전해 시스템에서 향상된 특성을 가지는 분리막이다.
전 세계적으로 환경오염과 이상기후로 인해 재생에너지와 연계한 수소 에너지 전환기술로 수전해 기술이 필요하다. 알칼라인 수전해는 오랜기간 성숙한 기술로 귀금속 촉매를 사용하지않아 저렴하고 대용량으로 설치하기 적합하다. 하지만 알칼라인 수전해는 낮은 효율(0.4A cm -2 )과 높은 수소투과도로 인한 산소의 수소농도의 혼합비가 늘어나 화재나 폭발의 위험 성이 있다. 따라서 재생에너지와 연계하는 알칼라인 수전해 시스템에서 효율과 안정성을 올리기 위해 낮은 막저항과 높은 기체투과차단성을 가지는 분리막의 개발하고자 필요하다. 본 연구에서는 다공성 분리막의 이온 전도성을 향상 시키고 기체투과도를 감소시키기 위해 친수성 고분자로 P FSA를 PSU와 혼합하여 고분자 바인더로 사용하였다. 혼합한 고분자 바인더와 지르코니아 나노입자를 섞은 슬러리를 polyphenylenesulfide(PPS) 지지체에 코팅한 후 nonsolvent induced phase separation(NIPS) method 로 다공성 분리막을 제조하였다. 제조된 다공성 분리막에 기체투과 차단 성을 더욱 향상시키기 위하여 친수성 고분자인 polyvinyl alcohol(PVA)이 가교화된 코팅층을 도입하고 glutaldehyde(GA) 가교제를 통해 가교하였 다. 결과적으로, PVA 코팅된 PSU/PFSA 기반 다공성 분리막인 cPS/F-5 는 Zirfon에 비해 54% 작은 알칼리 테스트 무게감소율(1.74%), 221% 큰 bubble point(6.97 bar), 94% 작은 용존수소투과도(0.29 × 10 -11 mol s -1 bar-1 ), 그리고 48% 작은 막저항(0.134 cm 2 ), 32.6배큰 selectivity 그리고 1.82V에서 Zirfon(415 mA cm -2 )에 비해 25% 향상된 수전해 성능(520 m A cm -2 )을 보여준다. 따라서 PVA 코팅된 PSU/PFSA 기반 다공성 분리 막은 기존 상용막인 Zirfon보다 높은 기체투과 차단성과 수전해 효율을 갖는 재생에너지 연계 알칼라인 수전해 시스템에서 향상된 특성을 가지는 분리막이다.
Due to environmental pollution and abnormal climate worldwide, water electrolysis technology is needed as a hydrogen energy conversi on technology linked to renewable energy. Alkaline water electrolysis i s a technology that has been matured for a long time and does not us e a precious metal catalys...
Due to environmental pollution and abnormal climate worldwide, water electrolysis technology is needed as a hydrogen energy conversi on technology linked to renewable energy. Alkaline water electrolysis i s a technology that has been matured for a long time and does not us e a precious metal catalyst, so it is inexpensive and suitable for largecapacity installation. However, alkaline water electrolysis has a low eff iciency (0.4A cm -2 ) and risk of fire or explosion due to the high hydro gen permeability, which increases the mixing ratio of oxygen to hydro gen concentration. Therefore, it is necessary to develop a separation m embrane having low area resistance and high gas permeability barrier in order to increase efficiency and stability in alkaline water electrolysi s systems linked to renewable energy. In this study, PFSA, a hydrophi lic polymer, was mixed with PSU and used as a polymer binder to improve the ionic conductivity and reduce the gas permeability of the dia phragm. A diaphragm was prepared by a nonsolvent induced phase se paration (NIPS) method after coating a slurry of a mixed polymer bind er and zirconia nanoparticles on a polyphenylenesulfide(PPS) support. I n order to further improve the gas permeation barrier of the prepared porous membrane, a coating layer crosslinked with polyvinyl alcohol(P VA), a hydrophilic polymer, was introduced and crosslinked through gl utaldehyde(GA) crosslinker. As a result, cPS/F-5, a PVA-coated PSU/ PFSA-based porous separator, has a 54% smaller alkali test weight lo ss(1.74%), a 221% larger bubble point(6.97 bar), and a 94% smaller dis solved hydrogen permeability(0.29 × 10 -11 mol s -1 bar- 1 ), 48% smaller ar ea resistance(0.134 Ω cm 2 ), 32.6 times larger selectivity and 25% impro ved water electrolysis performance(520 mA cm -2 ) compared to Zirfon. Therefore, the PVA-coated PSU/PFSA-based diaphragm is a separator with improved properties in the alkaline water electrolysis system linke d to renewable energy, which has higher gas permeation barrier and water electrolysis efficiency than Zirfon, a conventional commercial dia phragm.
Due to environmental pollution and abnormal climate worldwide, water electrolysis technology is needed as a hydrogen energy conversi on technology linked to renewable energy. Alkaline water electrolysis i s a technology that has been matured for a long time and does not us e a precious metal catalyst, so it is inexpensive and suitable for largecapacity installation. However, alkaline water electrolysis has a low eff iciency (0.4A cm -2 ) and risk of fire or explosion due to the high hydro gen permeability, which increases the mixing ratio of oxygen to hydro gen concentration. Therefore, it is necessary to develop a separation m embrane having low area resistance and high gas permeability barrier in order to increase efficiency and stability in alkaline water electrolysi s systems linked to renewable energy. In this study, PFSA, a hydrophi lic polymer, was mixed with PSU and used as a polymer binder to improve the ionic conductivity and reduce the gas permeability of the dia phragm. A diaphragm was prepared by a nonsolvent induced phase se paration (NIPS) method after coating a slurry of a mixed polymer bind er and zirconia nanoparticles on a polyphenylenesulfide(PPS) support. I n order to further improve the gas permeation barrier of the prepared porous membrane, a coating layer crosslinked with polyvinyl alcohol(P VA), a hydrophilic polymer, was introduced and crosslinked through gl utaldehyde(GA) crosslinker. As a result, cPS/F-5, a PVA-coated PSU/ PFSA-based porous separator, has a 54% smaller alkali test weight lo ss(1.74%), a 221% larger bubble point(6.97 bar), and a 94% smaller dis solved hydrogen permeability(0.29 × 10 -11 mol s -1 bar- 1 ), 48% smaller ar ea resistance(0.134 Ω cm 2 ), 32.6 times larger selectivity and 25% impro ved water electrolysis performance(520 mA cm -2 ) compared to Zirfon. Therefore, the PVA-coated PSU/PFSA-based diaphragm is a separator with improved properties in the alkaline water electrolysis system linke d to renewable energy, which has higher gas permeation barrier and water electrolysis efficiency than Zirfon, a conventional commercial dia phragm.
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