고분자 전해질 연료전지 촉매층 바인더를 위한 Sulfonated Fluorenyl Poly(ether sulfone)에 관한 연구 A Study on Sulfonated Fluorenyl Poly(ether sulfone)s as Catalyst Binders for Polymer Electrolyte Fuel Cells원문보기
연료전지에서 산소 환원 반응 (ORR)은 전체 반응에서 지배적인 역할을 한다. 또한 서로 다른 물질로 이루어진 막과 바인더 간의 낮은 호환성은 연료전지 효율을 크게 감소시킨다. 이러한 두 가지 문제점을 고려하여, 본 연구에서는 기존의 일반적인 Biphenol 대신 입체적 구조를 갖는 9,9_Bis(4-hydroxyphenyl) fluorine를 이용한 고분자를 합성하여 각각의 전극 바인더를 제조하였고, 이를 이용하여 각각의 나피온 막과 탄화수소 막 위에 스프레이 기법으로 MEA를 제조하여 전기화학적 성능 평가를 진행하였다. 그 결과 전류-전압 곡선에서의 0.6 V의 성능이 두 종류의 다른 막을 적용 했을 때 큰 차이를 보이지 않았으며, 탄화 수소 막의 타펠 기울기의 정도가 나피온 막에 비해 현저히 낮았다. 이를 통해 본 연구에서 적용된 아이오노머 바인더가 연료 전지성능 향상에 더 기여할 수 있을 것으로 판단 된다.
연료전지에서 산소 환원 반응 (ORR)은 전체 반응에서 지배적인 역할을 한다. 또한 서로 다른 물질로 이루어진 막과 바인더 간의 낮은 호환성은 연료전지 효율을 크게 감소시킨다. 이러한 두 가지 문제점을 고려하여, 본 연구에서는 기존의 일반적인 Biphenol 대신 입체적 구조를 갖는 9,9_Bis(4-hydroxyphenyl) fluorine를 이용한 고분자를 합성하여 각각의 전극 바인더를 제조하였고, 이를 이용하여 각각의 나피온 막과 탄화수소 막 위에 스프레이 기법으로 MEA를 제조하여 전기화학적 성능 평가를 진행하였다. 그 결과 전류-전압 곡선에서의 0.6 V의 성능이 두 종류의 다른 막을 적용 했을 때 큰 차이를 보이지 않았으며, 탄화 수소 막의 타펠 기울기의 정도가 나피온 막에 비해 현저히 낮았다. 이를 통해 본 연구에서 적용된 아이오노머 바인더가 연료 전지성능 향상에 더 기여할 수 있을 것으로 판단 된다.
Oxygen reduction reaction in the fuel cell (ORR) plays a dominant role in the overall reaction. In addition, the low compatibility between the membrane and the binder consisted of different materials, greatly reduces the efficiency of the fuel cell performance. In view of these two problems, geometr...
Oxygen reduction reaction in the fuel cell (ORR) plays a dominant role in the overall reaction. In addition, the low compatibility between the membrane and the binder consisted of different materials, greatly reduces the efficiency of the fuel cell performance. In view of these two problems, geometrically modified copolymers with 9.9_Bis (4-hydroxyphenyl) were synthesized via condensation reaction instead of conventional biphenol and were adopted as hydrocarbon ionomer binders. By utilizing these binders, two kinds of MEAs using fluorinated Nafion membrane and hydrocarbon based membrane were manufactured in order to electrochemical performance evaluation. With current-voltage curves, there was no significant difference in the 0.6 V when two types of membrane were applied. Also, tafel slope became considerably lower as compared to the Nafion membrane. Thus, it is determined that the new hydrocarbon binder is expected to contribute the improvement in performance of fuel cells.
Oxygen reduction reaction in the fuel cell (ORR) plays a dominant role in the overall reaction. In addition, the low compatibility between the membrane and the binder consisted of different materials, greatly reduces the efficiency of the fuel cell performance. In view of these two problems, geometrically modified copolymers with 9.9_Bis (4-hydroxyphenyl) were synthesized via condensation reaction instead of conventional biphenol and were adopted as hydrocarbon ionomer binders. By utilizing these binders, two kinds of MEAs using fluorinated Nafion membrane and hydrocarbon based membrane were manufactured in order to electrochemical performance evaluation. With current-voltage curves, there was no significant difference in the 0.6 V when two types of membrane were applied. Also, tafel slope became considerably lower as compared to the Nafion membrane. Thus, it is determined that the new hydrocarbon binder is expected to contribute the improvement in performance of fuel cells.
그러므로 본 연구에서는 앞서 언급한 막과 바인더의 호환성과 ORR 향상에 중점을 두었다. 막과 바인더의 호환성을 고려하여 새로운 탄화수소 계 고분자를 적용하여 각각의 막과 바인더로 만들어서 막 전극 접합체(MEA)로 만들었으며, ORR의 향상을 고려하여 탄화수소 계 고분자에 들어가는 전극 바인더 아이오노머의 구조를 기존의 단순한 것에서 입체적인 구조로 바꿔 적용하였다.
제안 방법
그러므로 본 연구에서는 앞서 언급한 막과 바인더의 호환성과 ORR 향상에 중점을 두었다. 막과 바인더의 호환성을 고려하여 새로운 탄화수소 계 고분자를 적용하여 각각의 막과 바인더로 만들어서 막 전극 접합체(MEA)로 만들었으며, ORR의 향상을 고려하여 탄화수소 계 고분자에 들어가는 전극 바인더 아이오노머의 구조를 기존의 단순한 것에서 입체적인 구조로 바꿔 적용하였다. 그 결과로 전극 바인더 상의 자유 부피를 증가시켜 산소의 확산을 증가시켜서 성능의 향상을 기대하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 각 고분자는 Scheme 1에 나타난 것처럼 축합 중합을 이용하여 합성하였다. SSPAES는 4,4’-dihydroxy biphenyl (BP, Aldrich), bis(4-chlorophenyl) sulfone (DCDPS, Aldrich), bis(4-chlorophenyl-3-sulfophenyl) sulfone disodium salt (SDCDPS, Yanjin), K2CO3 (Aldrich), N, Ndimethylacetamide (DMAc, Aldrich)를 사용하여 135도에서 6시간동안 환류 시켰으며, 165도에서 18시간 동안 교반시켰다. 이때 물을 제거하기 위해 공비 화합물로 톨루엔 (Toluene, Aldrich)를 넣었으며 반응 종결 후에 초순수로 3시간정도 씻어 낸 후에 120도 오븐에서 하루 정도 건조하였다.
전극 바인더로 에노드에는 5 wt%의 나피온 분산 액 (DuPont)과 이소 프로필 알코올 (Merck)을 Pt/C 촉매 (40 wt%, Vulcan XC-72)와 적절한 비율로 혼합하였고, 캐소드 에는 나피온 분산 액 대신 G-SPAES와 SSPAES를 NMP에 10 wt%로 녹여서 이소 프로필 알코올과 섞어 탄화수소 계 바인더를 만들었다. 이렇게 준비한 각각의 바인더를 두 종류의 서로 다른 나피온과 탄화수소 막 위에 스프레이 기법으로 25 cm2의 활성면적을 갖는 MEA를 제조하였다.
성능/효과
본 연구에서는 ORR을 증가시키기 위해 기존의 BP 구조를 갖는 SPAES 대신 입체적인 구조를 새로운 고분자를 합성하여 아이오노머 바인더로 만든 다음에 나피온 막과 탄화수소 막 각각의 MEA를 제조하여 전기 화학적 특성 평가를 진행하였다. 그 결과 탄화 수소막을 적용했을 때 HFR값이 나피온 막을 적용했을 때보다 낮음으로서 탄화수소 막과 탄화수소 바인더 간의 호환성이 나피온 막을 적용했을 때보다 우수함을 확인하였다. 그 중에서 G-SPAES는 S-SPAES보다 낮은 IEC 임에도 불구하고 0.
6V에서 전류밀도가 높았다. 또한 고전류 영역에서 G-SPAES 바인더의 임피던스의 반응 저항이 S-SPAES의 저항보다 모두 낮음으로서 GSPAES 바인더가 S-SPAES보다 바인더로서의 역할이 더 우수한 것을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나피온의 특징은 무엇인가?
고분자 전해질 연료전지 (PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell)는 높은 친 환경 성으로 인해 운송 수단, 모바일 매체 및 가정 용품으로서의 연구들이 활발하게 진행 되고 있다.1-2) 특히, 대표적인 과불화 화합물인 나피온 (Nafion)은 우수한 화학적/기계적 안정성 및 높은 이온 전도성으로 연료전지의 막 뿐만 아니라 아이오노머 바인더로서 가장 많이 이용하고 있다. 하지만 나피온의 비싼 가격과 불소로 이루어진 특성으로 환경적인 문제로 대두 되기 때문에 이를 대체할 수 있는 새로운 탄화수소 계 물질 개발 연구가 최근 많이 진행되고 있다.
나피온의 단점은 무엇인가?
1-2) 특히, 대표적인 과불화 화합물인 나피온 (Nafion)은 우수한 화학적/기계적 안정성 및 높은 이온 전도성으로 연료전지의 막 뿐만 아니라 아이오노머 바인더로서 가장 많이 이용하고 있다. 하지만 나피온의 비싼 가격과 불소로 이루어진 특성으로 환경적인 문제로 대두 되기 때문에 이를 대체할 수 있는 새로운 탄화수소 계 물질 개발 연구가 최근 많이 진행되고 있다. 그 중에서 술폰산화 방향족 탄화수소 고분자인 폴리 에테르 설폰(SPES)은 값싼 원재료 및 쉬운 합성 방법으로 전체적인 시스템의 단가를 낮출 수 있고, 우수한 열적 안정성으로 인해 고온 운전에서도 나피온에 비해 안정적으로 작동 가능하므로 현재 많은 연구가 진행 되고 있다.
아이오노머 바인더의 연구가 미흡하게 되면서 발생하는 문제점은 무엇인가?
그 이유는 나피온 바인더의 성능이 탄화수소 계 바인더의 성능보다 훨씬 우수하기 때문이다.7) 그 결과 막은 탄화 수소 계를 사용하지만 촉매 바인더는 과불화 화합물인 나피온을 사용하게 되어 막과 촉매 사이의 호환성 (compatibility)에 따른 문제가 발생한다. 서로 다른 성분으로 이루어진 막과 촉매 바인더 간의 낮은 호환성은 전체 연료전지의 효율을 감소시키는 원인이 된다.8)
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