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sPEEK 막으로 제조한 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 막전극합체(MEA)의 특성
Characteristics of Proton Exchange Membrane Fuel Cells(PEMFC) Membrane and Electrode Assembly(MEA) Using Sulfonated Poly(ether ether ketone) Membrane 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.2, 2016년, pp.181 - 186  

이혜리 (순천대학교 화학공학과) ,  이세훈 (순천대학교 화학공학과) ,  황병찬 (순천대학교 화학공학과) ,  나일채 ((주)CNL Energy) ,  이정훈 ((주)CNL Energy) ,  오성준 ((주)CNL Energy) ,  박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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최근에 저가의 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC)용 비불소계 전해질 막 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 sulfonated Poly(ether ether ketone)(sPEEK)막의 특성을 술폰화도, 상대습도, 단위 전지 온도에 따라 PEMFC 운전 조건에서 비교하였다. I-V 분극곡선, 수소투과도, 전기화학적 표면적, 막 저항 및 부하 전달 저항 등을 측정 분석했다. 술폰화도와 온도, 상대습도가 높을수록 성능이 높았으며, 특히 낮은 슬폰화도와 낮은 상대습도에서 이온 전도도 감소 때문에 성능이 큰 폭으로 감소함을 확인하였다.

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 sulfonated Poly(ether ether ketone) (sPEEK) were compared according to degrees of sulfonation (DS), relative...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 탄화수소계 고분자인 sPEEK 막에 전극을 접착시킨 막전극합체(MEA)를 제조하여 그 특성을 연구하였다. 고분자 전해질막으로 sPEEK 막의 제조 및 성질에 대한 연구들[10-14]이 있으나, PEMFC 운전조건에서 sPEEK MEA 특성에 대해 연구한 내용이 많지 않아 술폰화도, 상대습도, 단위 전지 온도에 따른 sPEEKMEA의 특성에 대해 실험하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PEMFC의 문제점은? 정치형 PEMFC는 40,000시간, 수송용 PEMFC는 5,000시간의 수명이 요구되고 있으나[3], 낮은 온도의 운전 조건임에도 불구하고 이직 수명이 짧다는 문제점이 있다. 특히 수송용으로 사용되는 PEMFC는 빈번한 On/Off 반복과 진동 등의 열악한 운전 조건으로인해 그 수명은 더욱 짧을 수밖에 없다[4-9].
고분자막의 열화원인에는 무엇이 있는가? 수명이 짧아지게 하는 열화 원인은 PEMFC를 구성하고 있는 여러 요소들에 걸쳐 존재하지만, PEMFC의 핵심 요소인 고분자 전해질 막의 열화가 장시간운전 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 이온오염, 라디칼에 의한 전기화학적인 열화를 포함한 화학적인 열화(chemical degradation)로 분류할 수 있다[3]. 위와 같은 열화에 의한 성능저하는 불소계고분자막이나 탄화수소계고분자 막 모두에 적용되는데, 일반적으로 탄화수소막이 불소계막에 비해 내구성이 약해 이를 보완하고자 많은 연구들이 진행되고 있다[8].
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참고문헌 (20)

  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: Fundamentals 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. Hydrogen 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. Park, C. H., Lee, C. H., Guiver, M. D., Lee, Y. M., "Sulfonated Hydrocarbon Membranes for Medium-temperature and Lowhumidity Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs)," Progress in Polymer Science, 36, 1443-1498(2011). 

  9. Jeong, J. J., Shin, Y. C., Lee, M. S., Lee, D. H., Na , I. C.i, Lee, H. and Park, K. P., "Characteristics of Poly(arylene ether sulfone) Membrane for Proton Exchange Membrane Fuel Cells," Korean Chem. Eng. Res., 51(5), 556-560(2013). 

  10. Gil, M., Ji, X., Li, X., Nab, H., Hampsey, J. E., Lu, Y., "Direct Synthesis of Sulfonated Aromatic Poly(ether ether ketone) Proton Exchange Membranes for Fuel Cell Applications," Journal of Membrane Science, 234, 75-81(2004). 

  11. Zhong, S., Liu, C., Dou, Z., Xi, L., Zhao, C., Fu, T. and Na, H., "Synthesis and Properties of Sulfonated Poly(ether ether ketone ketone) Containing Tert-butyl Groups as Proton Exchange Membrane Materials," Journal of Membrane Science, 285, 404-411(2006). 

  12. Peixiang, X., Gilles, P., Michael, D., Serguei, D., Wang, K. and Serge, K., "Synthesis and Characterization of Sulfonated Poly(ether ether ketone) for Proton Exchange Membranes," Journal of Membrane Science, 229, 95-106(2004). 

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

  14. Colicchio, I., Wen, F., Keul, H., Simon, U. and Moeller, M., "Sulfonated Poly(ether ether ketone)-silica Membranes Doped with Phosphotungstic Acid. Morphology and Proton Conductivity," Journal of Membrane Science, 326, 45-57(2009). 

  15. Zhao, C., Li, X., Wang, Z., Dou, Z., Zhong, S. and Na, H., "Synthesis of the Block Sulfonated Poly(ether ether ketone)s (S-PEEKs) Materials for Proton Exchange Membrane," Journal of Membrane Science, 280, 643-650(2006). 

  16. Sgreccia, E., Di Vona, M. L., Licoccia, S., Sganappa, Casciola, M., Chailan, J. F. and Knauth, P., "Self-assembled Nanocomposite Organic-inorganic Proton Conducting Sulfonated Poly-etherether- ketone (SPEEK)-based Membranes: Optimized Mechanical, Thermal and Electrical Properties," Journal of Power Sources, 192, 353-359(2009). 

  17. Paik, Y. K., Chae, S. A., Han, O. H., Hwang, S. Y. and Ha, H., "Influence of Water and Degree of Sulfonation on the Structure and Dynamics of SPEEK Studied by Solid-state $^{13}C$ and $^1H$ NMR", Polymer, 50, 2664-2673(2009). 

  18. Jiang, R., Kunz, H. R. and Fenton, J. M., "Investigation of Membrane Property and Fuel Cell Behavior with Sulfonated Poly(ether ether ketone) Electrolyte: Temperature and Relative Humidity Effects," Journal of Power Sources, 150, 120-128(2005). 

  19. 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). 

  20. 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., 51(1), 68-72(2013). 

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