최근에 저가의 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC)용 비불소계 전해질 막 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 PEMFC 운전 조건에서 Poly(arylene ether sulfone)(PAES) 막과 불소계막의 특성을 비교하였다. I-V 분극곡선, 수소투과도, 전기화학적 표면적, 막저항 및 부하 전달 저항 등을 측정 분석했다. PAES 막은 상대습도 100%에서는 불소계 막과 비슷한 성능을 보였으나 낮은 상대습도에서 이온전도도가 낮아 성능감소가 컸다.
최근에 저가의 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC)용 비불소계 전해질 막 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 PEMFC 운전 조건에서 Poly(arylene ether sulfone)(PAES) 막과 불소계막의 특성을 비교하였다. I-V 분극곡선, 수소투과도, 전기화학적 표면적, 막저항 및 부하 전달 저항 등을 측정 분석했다. PAES 막은 상대습도 100%에서는 불소계 막과 비슷한 성능을 보였으나 낮은 상대습도에서 이온전도도가 낮아 성능감소가 컸다.
Recently, there are many efforts focused on development of more economical non-fluorinated membranes for use in PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In this study, characteristics of poly(arylene ether sulfone)(PAES) were compared with fluorinated membrane at PEMFC operation condition. I-V ...
Recently, there are many efforts focused on development of more economical non-fluorinated membranes for use in PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In this study, characteristics of poly(arylene ether sulfone)(PAES) were compared with fluorinated membrane at PEMFC operation condition. I-V polarization curve, hydrogen crossover, electrochemical surface area, membrane resistance and charge transfer resistance were measured. PAES membrane showed similar performance compared with fluorinated membrane at 100% relative humidity, but the performance of PAES membrane decreased largely due to low ionic conductivity at low relative humidity.
Recently, there are many efforts focused on development of more economical non-fluorinated membranes for use in PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In this study, characteristics of poly(arylene ether sulfone)(PAES) were compared with fluorinated membrane at PEMFC operation condition. I-V polarization curve, hydrogen crossover, electrochemical surface area, membrane resistance and charge transfer resistance were measured. PAES membrane showed similar performance compared with fluorinated membrane at 100% relative humidity, but the performance of PAES membrane decreased largely due to low ionic conductivity at low relative humidity.
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문제 정의
본 연구에서는 탄화수소막으로 Poly(arylene ether sulfone) (PAES)에 폴리이미드를 강화시킨 고분자막의 특성을 연구하였다. 고분자 전해질막으로 PAES 막의 제조 및 성질에 대한 연구들[10-15]이 있으나, PEMFC 운전조건에서 성능과 특성을 연구한 내용이 보고되지 않아 본 연구에서 불소계막과 비교 검토하였다.
본 연구에서는 탄화수소막으로 Poly(arylene ether sulfone) (PAES)에 폴리이미드를 강화시킨 고분자막의 특성을 연구하였다. 고분자 전해질막으로 PAES 막의 제조 및 성질에 대한 연구들[10-15]이 있으나, PEMFC 운전조건에서 성능과 특성을 연구한 내용이 보고되지 않아 본 연구에서 불소계막과 비교 검토하였다.
제안 방법
ECSA는 Potentiostat를 이용한 Cyclo voltammetry (CV)로 측정 하였다. CV는 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소(200 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70 oC, 상대습도 100%에서 scan rate 30 mV/sec로 전압을 변화시키면서 전류를 측정하는데, 16 cycle 후 측정한 값을 택했다.
수소투과도는 Potentiostat (Solatron, SI 1287)를 이용한 LSV (Linear sweep voltammetry) 방법으로 수소투과 전류(Hydrogen crossover current)를 측정해 비교하였다. LSV는 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소(200 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70 oC, 상대습도 100%에서 scan rate 1 mV/sec로 0~0.5 V 범위에서 전압을 변화시키면서 전류를 측정하였다.
MEA OCV 및 성능에 미치는 전해질 막의 투과도 영향을 파악하기 위해 수소투과도를 LSV로 측정해 비교하였다(Fig. 3). PAES 막 수소투과도는 약 0.
MEA의 성능 및 특성을 측정하기 위해 I-V 분극곡선, 수소투과도, 전기화학적 표면적(Electrochemical surface area, ECSA), 막 저항및 부하전달 저항(Charge transfer resistance) 등을 측정하였다. 수소투과도는 Potentiostat (Solatron, SI 1287)를 이용한 LSV (Linear sweep voltammetry) 방법으로 수소투과 전류(Hydrogen crossover current)를 측정해 비교하였다.
PAES 막은 폴리이미드로 강화시킨 것으로 두께 38 μm 막을 사용했다. PAES 막 양 면에 데칼 방법에 의해 Pt/C 전극 입자를 코팅해 anode와 cathode 모두 Pt 함량 0.4 mg/cm2인 MEA (Membrane and Electrode Assembly)를 제조하였다. 불소계막을 사용한 Gore Fuel Cell 사의 5720 MEA를 기준으로 PAES 막 MEA의 성능 및 특성을 비교하였다.
4 mg/cm2인 MEA (Membrane and Electrode Assembly)를 제조하였다. 불소계막을 사용한 Gore Fuel Cell 사의 5720 MEA를 기준으로 PAES 막 MEA의 성능 및 특성을 비교하였다. 5720 MEA는 PFSA (Perfluoro sulfonic acid) 고분자에 PTFE를 강화시킨 18 μm 두께의 막에 전극을 코팅한 것으로 수송용 PEMFC에 일반적으로 사용되고 있다.
상대습도 50~100%에서 불소계막은 습도의 영향을 거의 받지 않았으나 PAES 막 MEA는 상대습도 50%에서 상대습도 100%일 때보다 성능이 1/3이 안 되었다. 상대습도가 내려갈수록 막 저항 값이 커져 PAES MEA의 성능이 감소함을 임피던스를 분석해 확인하였다.
막 저항 및 부하전달 저항은 Impedance Analyser (Solatron, SI 1287)를 이용해 측정하였다. 임피던스 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(93 ml/min)와 공기(296 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70 oC, 상대습도 100%, DC current 1A, AC amplitude 100 mA, Frequency 10,000~0.1 Hz 범위에서 측정하였다.
전극면적이 25 cm2인 MEA를 셀에 체결하고 셀의 온도, 유량, RH 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다.
대상 데이터
PAES 막은 폴리이미드로 강화시킨 것으로 두께 38 μm 막을 사용했다.
슬폰화된 PAES 막은 (주)코오롱인더스트리로부터 제공받았다. PAES 막은 폴리이미드로 강화시킨 것으로 두께 38 μm 막을 사용했다.
이론/모형
막 저항 및 부하전달 저항은 Impedance Analyser (Solatron, SI 1287)를 이용해 측정하였다. 임피던스 측정은 anode와 cathode에 각각 수소(93 ml/min)와 공기(296 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70 oC, 상대습도 100%, DC current 1A, AC amplitude 100 mA, Frequency 10,000~0.
MEA의 성능 및 특성을 측정하기 위해 I-V 분극곡선, 수소투과도, 전기화학적 표면적(Electrochemical surface area, ECSA), 막 저항및 부하전달 저항(Charge transfer resistance) 등을 측정하였다. 수소투과도는 Potentiostat (Solatron, SI 1287)를 이용한 LSV (Linear sweep voltammetry) 방법으로 수소투과 전류(Hydrogen crossover current)를 측정해 비교하였다. LSV는 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소(200 ml/min)를 공급하고, 셀 온도 70 oC, 상대습도 100%에서 scan rate 1 mV/sec로 0~0.
성능/효과
PAES 막 MEA의 전극 활성 면적은 불소계 막 MEA의 활성면적과 비슷하였고, PAES 막 수소 투과도는 불소계막의 1/7이 안 되었다. 그러나 PAES 막 MEA의 I-V 성능이 불소계막 MEA 비해 감소하였다.
1에나타냈다. 이 온도범위에서 PAES막 MEA와 불소계막 MEA 모두 온도에 따른 성능에 큰 차이는 없지만, 70~75 oC에서 최고성능을 나타내고 있으며 65 oC에서 최고 전류밀도보다 48~60 mA/cm2 감소하였다. PAES 막 MEA의 OCV와 불소계막 MEA의 OCV는 비슷한 값을 나타내고 있다.
6 V에 전류관계를 도시하였다. 저항이 증가함에 따라 전류 값이 감소하는 경향이 거의 직선에 가까워, 상대습도에 따라 성능이 감소하는 것이 막 저항과 직접 연관됨을 확인하였다.
2에 나타냈다. 활성면적을 계산한 결과 PAE 막 MEA는 0.792 (m2/g Pt) 불소계막은 0.784 (m2/g Pt)로 큰 차이는 아니지만 PAES 막 MEA가 오히려 높아 I-V 성능에 미치는 전극의 영향은 작음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문의 저자가 PAES 막 MEA의 특성을 PEMFC 운전조건에서 연구한 결과는?
PAES 막 MEA의 전극 활성 면적은 불소계 막 MEA의 활성면적과 비슷하였고, PAES 막 수소 투과도는 불소계막의 1/7이 안 되었다. 그러나 PAES 막 MEA의 I-V 성능이 불소계막 MEA 비해 감소하였다. PAES 막의 두께가 불소계막 보다 약 2배 두꺼워 막 저항이 증가했기 때문으로 PAES 막의 두께를 감소시키면 비슷한 성능이 나올 것이라고 본다. 65~80 oC 온도 범위에서 I-V 성능에 미치는 온도의 영향이 PAES 막과 불소계막 모두 크지 않았다.
상대습도 50~100%에서 불소계막은 습도의 영향을 거의 받지 않았으나 PAES 막 MEA는 상대습도 50%에서 상대습도 100%일 때보다 성능이 1/3이 안 되었다. 상대습도가 내려갈수록 막 저항 값이 커져 PAES MEA의 성능이 감소함을 임피던스를 분석해 확인하였다.
PEMFC의 상용화에 문제가 되는 것은?
높은 효율과 청정에너지의 특성을 지닌 연료전지는 에너지 및 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 대체에너지로써 최근에 국내외에서 상용화를 위한 연구개발이 본격적으로 진행되고 있다. 특히 비교적 낮은 운전온도에서 고체 고분자막을 사용해 높은 효율을 보임으로써 수송용 및 정치용으로 사용하기에 모두 적합한 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 상용화에 근접해 있는데, PEMFC의 상용화에 있어서 넘어야할 장벽은 높은 가격과 짧은 수명이다[1,2]. 전극과 전해질막의 가격이 전체 PEMFC 가격에서 많은 부분을 차지하는데, 전해질막으로 고가의 불소계막을 사용하는 대신 탄화수소 계막을 사용해 가격을 낮추고자 하는 연구개발이 활발히 진행되고 있다.
PEMFC의 수명을 짧게 하는 열화원인은 무엇인가?
특히 수송용으로 사용되는 PEMFC는 잦은 On/Off 반복과 냉 시동, 진동 등 열악한 운전 조건으로 인해 그 수명은 더욱 짧을 수밖에 없다[4-9]. 수명을 짧게 하는 열화 원인은 PEMFC를 구성하는 여러 요소에 모두 존재하지만 PEMFC의 핵심 요소인 고분자 전해질막의 열화가 장시간 운전 후 PEMFC 성능저하에 많은 영향을 주고 있다. 고분자막의 열화원인은 크게 열에 의한 열화(thermal degradation), 수축 팽창 및 압력 등에 의한 물리적인 열화(mechanical degradation)와 이온 오염, 라디칼에 의한 전기화학적인 열화를 포함한 화학적인 열화(chemical degradation)로 분류할 수 있다[3].
참고문헌 (18)
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