[논문]Nafion 함량이 데칼전사기법을 통해 제작된 고분자 전해질 연료전지의 MEA 성능에 미치는 영향

김경희; 조은애; 한종희; 김성현; 엄광섭

doi:10.7316/khnes.2012.23.2.125

Nafion 함량이 데칼전사기법을 통해 제작된 고분자 전해질 연료전지의 MEA 성능에 미치는 영향
Effects of Nafion Contents on the Performance of MEAs Prepared by Decal-Transfer Method 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.2, 2012년, pp.125 - 133

김경희 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터) , 조은애 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터) , 한종희 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터) , 김성현 (고려대학교 화공생명공학과) , 엄광섭 (한국과학기술연구원 연료전지연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Nafion ionomer located in electrode helps to increase the platinum utilization and proton conductivity. To achieve higher performance in PEMFCs, it is important an optimum Nafion content in the electrode. As the platinum loading and fabricated method depend on the optimum Nafion content. In this study, we have examined the interrelationship between platinum loading and Nafion content fabricated by decal transfer method. For electrodes with 0.25 and 0.4 mg/$cm^2$ Pt loading, best performance was obtained at 25 wt.% Nafion ionomer loading. It is also found that MEA with 0.25 mg/$cm^2$ Pt, the optimum Nafion content appears differently at low and high current density.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 데칼전사기법으로 제조한 MEA의 성능을 향상시키기 위해 공기극 백금 촉매 사용량이 0.4mg/cm2 인 경우와 0.25mg/cm2 인 경우, 촉매층내의 나피온 함량에 따른 성능을 분석하여 MEA 제조 조건을 최적화하였다.

가설 설정

Fig. 7(b) 에서의 ohmic 손실은 나피온 함량에 무관하게 거의 동일하였다. Fig.
Fig. 3(b) 의 ohmic 손실은 나피온 함량에 상관없이 거의 유사하였다. 따라서 Fig.

제안 방법

% Nafion solution, IPA (J.T. Baker, HPLC grade) 을 sonicated bath 와 homogenizer (IKA-ULTRA-TURRAX® T25) 를 이용, 항온(23℃) 조건에서 분산하여 제조하였다.
25mg/cm²으로 제조하여 나피온 함량이 20, 25, 30, 35wt.% 인 단위전지의 성능을 측정하였다.
Range +5℃-250℃)에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 전극층을 25cm² 로 자른 후 나피온 111 전해질막에 고온 고압으로(140℃, 15.7 Mpa pressure) 압착하여 전해질막으로 전사시켜 MEA를 제작하였다.
0으로 공급하였고 운전온도는 65℃이다. 단위전지 조립 후 0.45 V에서 24시간 활성화 시킨 후 전기화학적 성능평가를 진행하였다.
데칼기법으로 만든 MEA의 나피온 함량을 최적화하기 위해 공기극 나피온 함량을 20, 25, 30, 35wt.%로 제조하였다.
본 연구에서는 백금 사용량에 따른 최적의 나피온 함량을 확인하기 위해 공기극의 백금 사용량을 0.4mg/cm2 과 0.25mg/cm2 으로 제조하여 나피온 함량이 20, 25, 30, 35wt.
85V, 진폭 5mV로 10 mHz에서 10 kHz의 주파수 범위에서 진행하였다. 순환전압전류는 연료극에 H₂, 120sccm, 공기극에 N₂, 340sccm 유량으로 50mV에서 1.2V 범위를 50mV/s의 주사속도로 측정하였다.
전기화학 분석을 위해 i-V 특성곡선, 순환 전압전류(Cyclic Voltammetry, CV), 임피던스측정(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 수행하였다. 임피던스 측정은 전압 0.85V, 진폭 5mV로 10 mHz에서 10 kHz의 주파수 범위에서 진행하였다. 순환전압전류는 연료극에 H₂, 120sccm, 공기극에 N₂, 340sccm 유량으로 50mV에서 1.
전기화학 분석을 위해 i-V 특성곡선, 순환 전압전류(Cyclic Voltammetry, CV), 임피던스측정(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 수행하였다. 임피던스 측정은 전압 0.

대상 데이터

기체 확산층(gas diffusion layer, GDL)은 10BC GDL(SIGRACET® 10BC)을 사용하였다.

이론/모형

MEA의 성능평가는 CNL사에서 제작한 운전평가 장치를 이용하였다. 수소와 공기를 상대습도 100%로 가습 후 화학양론비(stoichiometry ratio) 1.

성능/효과

4mg/cm² 인 경우, 나피온 함량이 25에서 30wt.% 으로 증가할수록 물질전달 손실의 증가, EAS의 감소, 전하전달저항의 증가가 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 전해질 연료전지의 막-전극접합체는 무엇으로 구성되는가?	고분자 전해질 연료전지의 막-전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)는 연료극과 공기극, 전해질막으로 구성된다. MEA는 수소의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 역할을 한다.
	연료전지란?	연료전지는 수소를 연료로 전기를 생산하며 그 부산물로 물과 열만을 발생하는 친환경 전기 에너지 변환장치이다. 특히 고분자 전해질 연료전지는 저온(상온-80℃)에서 운전되고 출력밀도가 높아 자동차 및 휴대용 전원으로 활발히 연구가 진행되고 있다.
	고분자 전해질 연료전지의 막-전극접합체의 역할은 무엇인가?	고분자 전해질 연료전지의 막-전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)는 연료극과 공기극, 전해질막으로 구성된다. MEA는 수소의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 생산하는 역할을 한다. 따라서, 효율적인 MEA의 제조는 고분자 전해질 연료전지의 성능 향상을 위해 매우 중요하다.

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