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), 함수율 및 TGA 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.
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), 함수율 및 TGA 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.
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...
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 (ferroxane) was synthesized, and the ferroxane-Nafion composite membranes were prepared by mixing Nafion with the ferroxane. The composite membranes were investigated in terms of ionic conductivity, ion exchange capacity (IEC), FT-IR, thermal stability, etc. As a result, the ferroxane-Nafion composite membranes showed higher proton conductivity, IEC, thermal stability than Nafion recast membranes. The proton conductivity and IEC of the composite membrane with the best performance were $0.09S\;cm^{-1}$ and $0.906meq\;g^{-1}$, respectively.
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 (ferroxane) was synthesized, and the ferroxane-Nafion composite membranes were prepared by mixing Nafion with the ferroxane. The composite membranes were investigated in terms of ionic conductivity, ion exchange capacity (IEC), FT-IR, thermal stability, etc. As a result, the ferroxane-Nafion composite membranes showed higher proton conductivity, IEC, thermal stability than Nafion recast membranes. The proton conductivity and IEC of the composite membrane with the best performance were $0.09S\;cm^{-1}$ and $0.906meq\;g^{-1}$, respectively.
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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 NafionⓇ 막에서 열적 안정성, 이온교환용량(IEC) 및 수소이온 전도도등에 미치는 영향을 알아보기 위하여 NafionⓇ 막에 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.
제안 방법
막에 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.
본 연구에서는 lepidocrocite 입자에서 합성한 ferroxane 나노입자를 Nafion 고분자에 첨가하여 복합막을 제조하였다. Ferroxane의 함량을 0~1 wt%의 다양한 막을 제조 하여 실험을 진행하였다.
대상 데이터
Ferroxane 무기나노입자를 제조하기 위해 레피도크로사이트(Lepidocrocite)를 제조하였고, 이를 아세트산(Acetic acid, AA, Junsei, Japan)을 이용하여 안정화 시켜 ferroxane 나노입자를 합성하였다. 이는 기존 연구[12-14]를 바탕으로 Fig.
이론/모형
복합막의 수소이온전도도는 임피던스 스펙트로스코피(SP-150, Bio-Logic Science Instruments, France)를 사용하여, 4전극 시스템에서 0.1~105 Hz의 주파수 범위, 5 mV의 전압세기를 가지는 교류전원에서 측정하였다. 이온전도도를 측정하기 전 막은 2.
제조한 음이온 교환막의 화학적 구조는 적외선분광법(Fourier transform infrared(FT-IR) spectrometry, BIO-RAD FTS 3000 FT-IR Spectrometer, USA)을 통해 분석하였다. 또한, 열적 안정성의 평가를 위하여 TGA 분석을 수행하였으며, 조건은 실온부터 800℃까지 10 ℃/min의 속도로 TGA 2050 Instrument(TA Instruments)를 통해 실시하였다.
성능/효과
Fig. 2에서는 실제 제조된 ferroxane-Nafion 복합막의 사진을 보여주며, ferroxane의 함유량이 높아짐에 따라 막의 색이 노란 빛을 띠는 것을 확인할 수 있었다. 막의 표면을 관찰하게 되면, ferroxane 나노입자들이 Nafion 고분자 내에서 고르게 분산되었음을 알 수 있었다.
마지막으로 480-490℃에서의 질량 감소는 고분자 사슬이 분해되면서 발생한 것으로 판단할 수 있었다. 분자 사슬이 분해되는 구간에서도 명확하게 ferroxan 나노입자의 함량이 높아질수록 열적 안정성이 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, Tg,20에서 Nafion은 380℃이며, F-Nafion 1(ferroxane 함량이 1 wt%)의 경우 400℃로 20℃ 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].
Ferroxane의 함량을 0~1 wt%의 다양한 막을 제조 하여 실험을 진행하였다. 이렇게 제조한 ferroxane-Nafion 유무기 복합막은 무기나노입자의 함량이 높아질수록 열적 안정성이 증가됨을 확인하였으며, Nafion 막보다 우수함을 보였다. 또한 함수율 및 이온교환용량의 증가에도 우수한 효과를 보임을 증명하였다.
후속연구
분자 사슬이 분해되는 구간에서도 명확하게 ferroxan 나노입자의 함량이 높아질수록 열적 안정성이 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, Tg,20에서 Nafion은 380℃이며, F-Nafion 1(ferroxane 함량이 1 wt%)의 경우 400℃로 20℃ 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].
이에 추후 본 복합막의 추가 성능 증가를 위한 새로운 연구 주제가 될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 활용한 연구가 지속되면 기존 Nafion 막의 문제점이었던 열적 안정성 및 저가습에서의 성능 저하 등의 문제를 해결하여 수 있을 것으로 사료된다.
하지만 이온교환용량의 증가에도 불구하고 일정 비율의 무기입자들이 함유되면 수소이온전도도의 변화는 크게 증가되지 않음을 확인하였다. 이에 추후 본 복합막의 추가 성능 증가를 위한 새로운 연구 주제가 될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 활용한 연구가 지속되면 기존 Nafion 막의 문제점이었던 열적 안정성 및 저가습에서의 성능 저하 등의 문제를 해결하여 수 있을 것으로 사료된다.
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.
참고문헌 (20)
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).
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).
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).
V. S. Bagotsky, "Proton-exchange membrane fuel cells", pp. 41-69, John Wiley & Sons, New York, NY (2012).
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).
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).
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).
H. Guo and A. S. Barnard, "Proton transfer in the hydrogenbonded chains of lepidocrocite: a computational study", Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 17864 (2011).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
W. C. Hwa, D. J. Kim, and S. Y. Nam, "Characterization of SPAES composite membrane using silane based inorganics", Membr. J., 25, 5 (2015).
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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