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고분자전해질 연료전지용 Poly(arylene ether sulfone) 막의 특성
Characteristics of Poly(arylene ether sulfone) Membrane for Proton Exchange Membrane Fuel Cells 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.5, 2013년, pp.556 - 560  

정재진 (순천대학교 화학공학과) ,  신용철 (코오롱인더스트(주) Eco연구소 중앙기술원) ,  이무석 (코오롱인더스트(주) Eco연구소 중앙기술원) ,  이동훈 (코오롱인더스트(주) Eco연구소 중앙기술원) ,  나일채 ((주)CNL Energy) ,  이호 ((주)CNL Energy) ,  박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

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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.
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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].
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참고문헌 (18)

  1. Williams, M. C. Strakey, J. P. and Surdoval, W. A., "The U. S. Department of Energy, Office of Fossil Energy Stationary Fuel cell Program," J. Power Sources, 143(1-2), 191-196(2005). 

  2. Perry, M. L. and Fuller, T. F., "A Historical Perspective of Fuel Cell Technology in the 20th Century," J. Electrochem. Soc, 149(7), S59-S67(2002). 

  3. Wilkinson, D. P. and St-Pierre, J., in: W. Vielstich, H. A. Gasteiger A. Lamm (Eds.). Handbook of Fuel Cell: Fundamen,tals Technology and Applications, Vol. 3, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, England, 611-612(2003). 

  4. Wilson, M. S., Garzon, F. H., Sickafus, K. E. and Gottesfeld, S. "Surface Area Loss of Supported Platinum in Polymer Electrolyte Fuel Cells," J. Electrochem. Soc. 140, 2872-2877(1993). 

  5. Knights, S. D., Colbow, K. M., St-Pierre, J. and Wilkinson, D. P., "Aging Mechanism and lifetime of PEFC and DMFC," J. Power Sources, 127, 127-134(2004). 

  6. Luo, Z., Li, D., Tang, H., Pan, M. and Ruan, R., "Degradation Behavior of Membrane-electrode-assembly Materials in 10-cell PEMFC Stack," Int. J. Hydrog. Energy, 31, 1838-1854(2006). 

  7. Pozio, A., Silva R. F., Francesco, M. D. and Giorgi, L., "Nafion Degradation in PEFCs from End Plate Iron Contamination," Electrochim. Acta, 48, 1543-1548(2003). 

  8. Xie, J., Wood III, D. L., Wayne, D. N., Zawodinski, T. A., Atanassov, P. and Borup, R. L., "Durability of PEFCs at High Humidity Conditions," J. Electrochem. Soc., 152, A104-A113(2005). 

  9. Curtin, D. E., Lousenberg, R. D., Henry, T. J., Tangeman, P. C. and Tisack, M. E., "Advanced Materials of Improved PEMFC Performance and Life," J. Power Sources, 131, 41-48(2004). 

  10. Steel, B. C. H. and Heinzel, A., "Materials for Fuel-cell Technologies," Nature, 414, 345-352(2001). 

  11. Hickner, M. A., Ghassemi, H., Kim, Y. S., Einsla, B. R. and McGrath, J. E., "Alternative Polymer Systems for Proton Exchange Membranes (PEMs)," Chem. Rev. 104, 4587-4612(2004). 

  12. Hill, M. L., Kim, Y. S., Einsla, B. R. and McGrath, J. E., "Zirconium Hydrogen Phosphate/disulfonated Poly(arylene ether sulfone) Copolymer Composite Membranes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells," J. Membr. Sci. 283 102-108(2006). 

  13. Neburchilov, V., Martin, J., Wang, H. and Zhang, J., "A Review of Polymer Electrolyte Membranes for Direct Methanol Fuel Cells," J. Power Sources, 169, 221-238 (2007). 

  14. So, S. Y., Yoon, Y. J., Kim, T. H., Yoon, K. S. and Hong, Y. T., "Sulfonated Poly(arylene ether sulfone)/functionalized Silicate Hybrid Proton Conductors for High-temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells," J. Membr. Sci., 381, 204-210 (2011). 

  15. Park, J. Y., Kim, T. H., Kim, H. J., Choi, J. H. and Hong, Y. T., "Crosslinked Sulfonated Poly(arylene ether sulfone) Membranes for Fuel Cell Application," Int. J. Hydrog. Energy, 37, 2603-2613 (2012). 

  16. Lawrencea, J. and Yamaguchia, T., "The Degradation Mechanism of Sulfonated Poly(arylene ether sulfone)s in An Oxidative Environment," J. Membr. Sci., 325, 633-640(2008). 

  17. Lee, H., Kim, T. H., Sim, W. J., Kim, S. H., Ahn, B. K., Lim, T. W. and Park, K. P., "Pinhole Formation in PEMFC Membrane After Electrochemical Degradation and Wet/dry Cycling Test," Korean J. Chem. Eng., 28, 487-491(2011). 

  18. Song, J. H., Kim, S. H., Ahn, B. K., Ko, J. J. and Park, K. P., "Effect of Electrode Degradation on the Membrane Degradation in PEMFC," Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 51(1), 68-72(2013). 

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