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PEMFC용 Ferroxane-나피온 복합막의 제조 및 특성분석
Preparation and Characterizations of Ferroxane-Nafion Composite Membranes for PEMFC 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.26 no.2, 2016년, pp.135 - 140  

신문식 (상명대학교 공과대학 환경공학과) ,  오규현 (상명대학교 공과대학 환경공학과) ,  박진수 (상명대학교 공과대학 환경공학과)

초록
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본 연구에서는 고분자전해질 연료전지의 전해질막의 성능향상을 위하여 철산화물(Ferroxane)과 나피온을 이용하여 유무기 복합막을 개발하였다. 아세트산을 이용하여 안정화시킨 lepidocrocite을 이용한 ferroxane 나노입자를 합성하였고, 이를 나피온과 혼합하여 복합막들을 제조하였다. 제조된 복합막들의 성능 및 열안정성을 평가하기 위해 이온전도도, 이온교환용량(IEC), 함수율TGA 측정을 수행하였다. 그 결과 ferroxane 나노입자를 함유한 나피온 복합막의 수소이온전도도가 리캐스팅한 나피온막보다 높은 이온전도도 및 이온교환용량을 보였으며, 높은 열적 안정성 결과를 얻었다. 최고 성능의 복합막의 수소이온전도도는 $0.09S\;cm^{-1}$이며, 이온교환용량은 $0.906meq\;g^{-1}$을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the organic-inorganic composite membranes composed of iron oxide (Ferroxane) and Nafion were developed as an alternative proton exchange membranes (PEMs) in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Acetic acid-stabilized lepidocrocite (${\gamma}$-FeOOH) nanoparticles (fe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에는 무기입자의 함량에 따른 영향을 알아보기 위하여 다양한 복합전해질막을 제조 실험을 진행하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 무기 충진제를 포함한 복합전해질막이 Nafion막에서 열적 안정성, 이온교환용량(IEC) 및 수소이온 전도도등에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Nafion막에 무기 충진제로서 lepidocrocite에서 합성한 ferroxane 나노입자를 첨가하였고, ferroxane의 함량을 변화하여 다양한 ferroxan-Nafion 복합막을 제조하여 특성을 분석하였다. Ferroxan-Nafion 복합막의 물리적, 화학적 물성을 FT-IR, TGA를 통해 측정하였고, 또한 제조된 복합막의 함수율, 이온교환능(IEC), 수소이온 전도도를 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 연구에서 제조한 복합 전해질막이 고온/저가습 운전 조건에 적합한 전해질 막으로 판단할 수 있는 이유는? 마지막으로 480-490°C에서의 질량 감소는 고분자 사슬이 분해되면서 발생한 것으로 판단할 수 있었다. 분자 사슬이 분해되는 구간에서도 명확하게 ferroxan 나노입자의 함량이 높아질수록 열적 안정성이 높아지는 것을 확인할수 있었으며, Tg,20에서 Nafion은 380°C이며, F-Nafion 1 (ferroxane 함량이 1 wt%)의 경우 400°C로 20°C 정도가 높아 보이며 무기입자 첨가에 의해 전해질 막의 열적 안정성이 우수해지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 이러한 복합 전해질막은 추후 연구될 고온/저가습 운전 조건에 적합한 전해질 막으로 판단된다[5,6,11].
PEMFC는 어떠한 시스템인가? 고분자전해질연료전지(PEMFC)는 전력생산 효율이 높고 소음이 적으며 환경오염 물질을 거의 발생 시키지 않는 장점으로 인해 가까운 미래에 수송용 발전장치에 적용이 가능할 것으로 예상되고 있다. PEMFC는 화학 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 시스템으로, 연료로 사용하는 수소는 전자와 수소이온으로 산화하고 수소이온은 고분자 전해질을 통해 이동하게 된다. 고분자 전해질은 PEMFC의 핵심 구성요소로 수소이온을 산화극에서 환원극으로 이동시키는 역할 뿐 아니라 연료의 크로스오버와 전자의 이동을 막아준다[1-6].
고분자전해질연료전지의 장점은? 고분자전해질연료전지(PEMFC)는 전력생산 효율이 높고 소음이 적으며 환경오염 물질을 거의 발생 시키지 않는 장점으로 인해 가까운 미래에 수송용 발전장치에 적용이 가능할 것으로 예상되고 있다. PEMFC는 화학 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 시스템으로, 연료로 사용하는 수소는 전자와 수소이온으로 산화하고 수소이온은 고분자 전해질을 통해 이동하게 된다.
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참고문헌 (20)

  1. L. Zhang, S.-R. Chae, Z. Hendren, J.-S. Park, and M. R. Wiesner, "Recent advances in proton exchange membranes for fuel cell applications", Chem. Eng. J., 204, 87 (2012). 

  2. H. Zhang and P. K. Shen, "Recent development of polymer electrolyte membranes for fuel cells", Chem. Rev., 12, 2780 (2012). 

  3. K. Sopian and W. R. Wan Daud, "Challenges and future developments in proton exchange membrane fuel cells", Renew. Energ., 31, 719 (2006). 

  4. H.-C. Chien, L.-D. Tsai, C.-P. Huang, C.-Y. Kang, J.-N. Lin, and F.-C. Chang, "Sulfonated graphene oxide/Nafion composite membranes for high-performance direct methanol fuel cells," Int. J. Hydrogen. Energ., 38, 13792 (2013). 

  5. D. C. Lee, H. N. Yang, S. H. Park, and W. J. Kim, "Nafion/graphene oxide composite membranes for low humidifying polymer electrolyte membrane fuel cell," J. Membr. Sci., 452, 20 (2014). 

  6. H. Ghassemi, T. Zawodzinski, D. Schiraldi, and S. Hamrock, "Cross-linked low EW PFSA for high temperature fuel cell", ACS Symp. Ser., 12, 201 (2012). 

  7. V. S. Bagotsky, "Proton-exchange membrane fuel cells", pp. 41-69, John Wiley & Sons, New York, NY (2012). 

  8. E. M. Tsui, M. M. Cortalezzi, and M. R. Wiesner, "Proton conductivity and methanol rejection by ceramic membranes derived from ferroxane and alumoxane precursors", J. Membr. Sci., 306, 8 (2007). 

  9. Y. Sone, P. Ekdunge, and D. Simonsson, "Proton conductivity of Nafion 117 as measured by a four-electrode AC impedance method", J. Electrochem. Soc., 143, 1254 (1996). 

  10. J. Rose, M. M. Cortalezzi-Fidalgo, S. Moustier, C. Magnetto, C. D. Jones, A. R. Barron, M. R. Wiesner, and J.-Y. Bottero, "Synthesis and characterization of carboxylate-FeOOH nanoparticles (ferroxanes) and ferroxane-derived ceramics", Chem. Mater, 14, 621 (2002). 

  11. H. Guo and A. S. Barnard, "Proton transfer in the hydrogenbonded chains of lepidocrocite: a computational study", Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 17864 (2011). 

  12. E. M. Tsui, M. M. Cortalezzi, and M. R. Wiesner, "Proton conductivity and methanol rejection by ceramic membranes derived from ferroxane and alumoxane precursors", J. Membr. Sci., 306, 8 (2007). 

  13. E. M. Tsui and M. R. Wiesner, "Fast proton-conducting ceramic membranes derived from ferroxane nanoparticle precursors as fuel cell electrolytes", J. Membr. Sci., 318, 79 (2008). 

  14. L. Zhang, S.-R. Chae, S. Lin, and M. R. Wiesner, "Proton-conducting composite membranes derived from ferroxane-Polyvinyl alcohol complex", Environ. Eng. Sci., 29, 124 (2012). 

  15. M. M. Cortalezzi, J. Rose, G. F. Wells, J. Y. Bottero, A. R. Barron, and M. R. Wiesner, "Ceramic membranes derived from ferroxane nanoparticles: a new route for the fabrication of iron oxide ultrafiltration membranes", J. Membr. Sci., 227, 207 (2003). 

  16. H. J. Lee, Y.-W. Choi, T.-H. Yang, and B. C. Bae, "Hydrocarbon composite membranes with improved oxidative stability for PEMFC", J. Korean Electrochem. Soc., 17, 44 (2014). 

  17. J. O. Yuk, S. J. Lee, T.-H. Yang, and B. C. Bae, "Synthesis and characterization of multi-block sulfonated poly(arylene ether sulfone) polymer membrane with different hydrophilic moieties for PEMFC", J. Korean Electrochem. Soc., 18, 75 (2015). 

  18. S. Y. Lee, H. J. Kim, S. Y. Nam, and C. H. Park, "Synthetic strategies for high performance hydrocarbon polymer electrolyte membranes (PEMs) for fuel cells", Membr. J., 26, 1 (2016). 

  19. W. C. Hwa, D. J. Kim, and S. Y. Nam, "Characterization of SPAES composite membrane using silane based inorganics", Membr. J., 25, 5 (2015). 

  20. B. R. Jung, Y. Son, Y. T. Lee, and N. Kim, "Preparation of organic-inorganic hybrid PES membranes using Fe(II) clathrochelate", Membr. J., 23, 1 (2013). 

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