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고분자 전해질 연료전지에서 sPEEK 막을 이용한 전극과 막 합체(MEA)의 열화에 관한 연구
Study on the Degradation of MEA Using Sulfonated Poly(ether ether ketone) Membrane in Proton Exchange Membrane Fuel Cells 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.3, 2016년, pp.305 - 309  

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) MEA 내구성을 시험하기 위해 열화 가속화 기법을 이용하여 막과 전극이 동시에 열화되는 MEA 열화 실험을 진행하였다. 열화 전과 후에 I-V 분극곡선, 수소투과도, 전극 활성 면적, 막 저항과 부하 전달 저항을 측정하여 열화 전과 후를 비교하였다. sPEEK 막의 수소 투과도는 낮았지만, 저가습 OCV 조건에서 발생하는 라디칼에 Nafion과 같은 불소계막보다 sPEEK 막이 약했다. MEA 열화 실험 결과 144시간 후와 271시간 후 성능이 각각 15%와 65% 감소하였다. 144이후 급격한 성능감소의 주요인은 막에 발생한 핀홀의 Pt/C 입자에 의한 shorting 현상이라고 본다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, there are many efforts focused on development of more economical non-fluorinated membranes for PEMFCs (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). In this study, to test the durability of sPEEK MEA (Membrane and Electrode Assembly), ADT (Accelerated Degradation Test) of MEA degradation was done ...

주제어

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문제 정의

  • 고분자 전해질 막으로 sPEEK 막의 제조 및 성질에 대한 연구들[10-14]이 있으나, PEMFC 운전조건에서 sPEEK MEA의 열화 및 내구성 평가에 대해 연구한 내용은 거의 없다. 본 연구에서는 sPEEK MEA를 열화 가속화 기법을 이용하여 막 열화와 MEA 열화에 대해 실험하였다.
  • 본 연구에서는 탄화수소계막인 sPEEK 막에 전극을 접착시킨 막전극합체(MEA)를 제조하여 막 열화와 MEA 열화에 대한 실험을 진행하였다. 고분자 전해질 막으로 sPEEK 막의 제조 및 성질에 대한 연구들[10-14]이 있으나, PEMFC 운전조건에서 sPEEK MEA의 열화 및 내구성 평가에 대해 연구한 내용은 거의 없다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연료전지가 대체에너지로 각광받는 이유는 무엇인가? 연료전지는 효율이 높고 공해물질 배출이 없는 청정에너지의 특성을 가지고 있어 문제가 되고 있는 에너지 및 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 대체에너지로써 최근 국내외에서 상용화를 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC)는 고체고분자막을 이용하여 운전 온도가 비교적 낮고 효율이 높기 때문에 수송용 및 정치용으로 사용하기에 적합하다는 장점이 있지만, 가격이 비싸고 수명이 짧다는 문제점으로 인해 상용화에 걸림돌이 되고 있다[1,2].
고분자막의 열화 원인은 무엇으로 분류가 되는가? 수명이 짧아지게 하는 열화 원인은 PEMFC를 구성하고 있는 여러 요소들에 모두 존재하지만, PEMFC의 핵심 요소인 고분자 전해질 막의 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 이온오염, 라디칼에 의한 전기화학적인 열화를 포함한 화학적인 열화(chemical degradation)로 분류할 수 있다[3]. 이들 고분자막의 열화에 의해 막이 얇아지거나 뚫려 양쪽 전극이 전기적으로 연결되면 shorting 현상에 의해 MEA 수명이 다하게 된다.
고분자 전해질 연료전지가 고가인 이유는 무엇인가? 특히 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC)는 고체고분자막을 이용하여 운전 온도가 비교적 낮고 효율이 높기 때문에 수송용 및 정치용으로 사용하기에 적합하다는 장점이 있지만, 가격이 비싸고 수명이 짧다는 문제점으로 인해 상용화에 걸림돌이 되고 있다[1,2]. PEMFC가 고가인 이유는 전극과 고분 자막의 가격이 비싸기 때문인데, 고분자막은 제작 단가가 높은 불소계막을 이용하기 때문이다. PEMFC의 가격을 낮추기 위해 가격이 비싼 불소계막 대신 비교적 저렴한 탄화수소계막을 이용하는 연구가 진행되고 있다.
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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: 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 Low-humidity 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., 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, 950106(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., 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., 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. 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). 

  17. 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). 

  18. 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). 

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