본 연구에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 전해질막의 성능향상을 위하여 sulfonated graphene oxide(sGO)와 Nafion을 이용하여 복합막을 개발하였다. sGO/Nafion 복합막 안의 sGO의 균일한 분산을 위해 각기 다른 용매를 사용한 sGO 분산액과 Nafion 현탁액을 혼합하여 복합막들을 제조하였다. 제조된 복합막들의 물성 및 전기화학적 특성을 평가하기 위해 SEM, FT-IR, 이온 전도도, 이온 교환 용량, 함수율, 열안정성 등을 수행하였다. 연구 결과 ODB와 DMAc 혼합 용매로 sGO를 분산하여 고분자 용액 내에서의 분산도를 향상시켰으며, 이 결과 11 wt%의 낮은 함수율에도 불구하고, $0.06Scm^{-1}$의 기존 연구와 유사한 이온 전도도를 나타내었다.
본 연구에서는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 전해질막의 성능향상을 위하여 sulfonated graphene oxide(sGO)와 Nafion을 이용하여 복합막을 개발하였다. sGO/Nafion 복합막 안의 sGO의 균일한 분산을 위해 각기 다른 용매를 사용한 sGO 분산액과 Nafion 현탁액을 혼합하여 복합막들을 제조하였다. 제조된 복합막들의 물성 및 전기화학적 특성을 평가하기 위해 SEM, FT-IR, 이온 전도도, 이온 교환 용량, 함수율, 열안정성 등을 수행하였다. 연구 결과 ODB와 DMAc 혼합 용매로 sGO를 분산하여 고분자 용액 내에서의 분산도를 향상시켰으며, 이 결과 11 wt%의 낮은 함수율에도 불구하고, $0.06Scm^{-1}$의 기존 연구와 유사한 이온 전도도를 나타내었다.
In this study, the composite membranes prepared by sulfonated graphene oxide (sGO) and Nafion were developed as proton exchange membranes (PEMs) for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). The sGO/Nafion composite membranes were prepared by mixing Nafion solution with the sGO dispersed in ...
In this study, the composite membranes prepared by sulfonated graphene oxide (sGO) and Nafion were developed as proton exchange membranes (PEMs) for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). The sGO/Nafion composite membranes were prepared by mixing Nafion solution with the sGO dispersed in a binary solvent system to improve dispersity of sGO. The composite membranes were investigated in terms of ionic conductivity, ion exchange capacity (IEC), FT-IR, TGA and SEM, etc. As a result, the binary solvent system, i.e., ortho-dichlorobenzene (ODB) and N,N-dimethylacetamide (DMAc), were used to obtain high dispersion of sGO particles in Nafion solution, and the ionic conductivity of the sGO/Nafion composite membrane showed $0.06Scm^{-1}$ similar to other research results at lower water uptake, 11 wt%.
In this study, the composite membranes prepared by sulfonated graphene oxide (sGO) and Nafion were developed as proton exchange membranes (PEMs) for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). The sGO/Nafion composite membranes were prepared by mixing Nafion solution with the sGO dispersed in a binary solvent system to improve dispersity of sGO. The composite membranes were investigated in terms of ionic conductivity, ion exchange capacity (IEC), FT-IR, TGA and SEM, etc. As a result, the binary solvent system, i.e., ortho-dichlorobenzene (ODB) and N,N-dimethylacetamide (DMAc), were used to obtain high dispersion of sGO particles in Nafion solution, and the ionic conductivity of the sGO/Nafion composite membrane showed $0.06Scm^{-1}$ similar to other research results at lower water uptake, 11 wt%.
본 연구에서는 스마트 나노 물질 중 하나인 GO를 무기 충진제로 사용하여 NafionⓇ 막에서 열적 안정성, 이온 교환 용량 및 수소 이온 전도도 등에 미치는 영향을 알아보았다. 이온 전도도 및 이온 교환 용량의 향상을 위해 NafionⓇ 막에 무기 충진제로서 sulfonated graphen oxide (sGO)를 첨가하였고, sGO의 함량을 변화하여 다양한 sGO/Nafion 복합막을 제조하여 특성을 분석하였다.
제안 방법
또한 나노입자인 sGO과 Nafion 매트릭스의 균일한 분산을 위해 비중이 다른 두 용매를 이용하여 sGO/Nafion 복합막을 제조하였다[16]. sGO/Nafion 복합막의 물리적, 화학적 물성을 적외선 분광법 및 전계 방사형 주사 현미경 등을 통해 측정하였고, 또한, 복합 막의 함수율, 이온 교환 용량 및 수소 이온 전도도를 측정하였다.
이온 전도도 및 이온 교환 용량의 향상을 위해 NafionⓇ 막에 무기 충진제로서 sulfonated graphen oxide (sGO)를 첨가하였고, sGO의 함량을 변화하여 다양한 sGO/Nafion 복합막을 제조하여 특성을 분석하였다. 또한 나노입자인 sGO과 Nafion 매트릭스의 균일한 분산을 위해 비중이 다른 두 용매를 이용하여 sGO/Nafion 복합막을 제조하였다[16]. sGO/Nafion 복합막의 물리적, 화학적 물성을 적외선 분광법 및 전계 방사형 주사 현미경 등을 통해 측정하였고, 또한, 복합 막의 함수율, 이온 교환 용량 및 수소 이온 전도도를 측정하였다.
막에서 열적 안정성, 이온 교환 용량 및 수소 이온 전도도 등에 미치는 영향을 알아보았다. 이온 전도도 및 이온 교환 용량의 향상을 위해 NafionⓇ 막에 무기 충진제로서 sulfonated graphen oxide (sGO)를 첨가하였고, sGO의 함량을 변화하여 다양한 sGO/Nafion 복합막을 제조하여 특성을 분석하였다. 또한 나노입자인 sGO과 Nafion 매트릭스의 균일한 분산을 위해 비중이 다른 두 용매를 이용하여 sGO/Nafion 복합막을 제조하였다[16].
성능/효과
하지만 본 연구에서 시도한 ODB/DMAc 용매에서 높은 sGO의 높은 분산도로 인해 나피온 매트릭스 내 균일한 분포를 얻을 수 있었으며 이를 통해 낮은 함수율에서도 높은 이온 전도도를 유지하는 특성을 보였다. 또한 sGO의 함유량이 높아질수록 열적 안정성을 확보할 수 있었다. 향후 본 연구의 결과를 활용한 연구가 지속되면 기존 Nafion 막의 문제점이었던 열적 안정성 및 저 가습에서의 성능 저하 등의 문제를 해결할 수 있을 것으로 사료된다.
sGO 무기입자함량을 0-1 wt%의 다양한 막을 제조하였으며, 이때 sGO의분산도를 높이기 위해 DMAc와 ODB의 비중이 다른 용매를 혼합하여 사용하였다. 제조된 sGO/Nafion 복합 막은 무기입자의 함량이 높아질수록 이온 교환 용량의 증가에는 효과가 보임을 확인하였으나, 나노 입자인sGO는 고분자 매트릭스안의 물 클러스터 형성을 제한함으로 함수율과 이온 전도도의 감소를 보였다. 하지만 본 연구에서 시도한 ODB/DMAc 용매에서 높은 sGO의 높은 분산도로 인해 나피온 매트릭스 내 균일한 분포를 얻을 수 있었으며 이를 통해 낮은 함수율에서도 높은 이온 전도도를 유지하는 특성을 보였다.
제조된 sGO/Nafion 복합 막은 무기입자의 함량이 높아질수록 이온 교환 용량의 증가에는 효과가 보임을 확인하였으나, 나노 입자인sGO는 고분자 매트릭스안의 물 클러스터 형성을 제한함으로 함수율과 이온 전도도의 감소를 보였다. 하지만 본 연구에서 시도한 ODB/DMAc 용매에서 높은 sGO의 높은 분산도로 인해 나피온 매트릭스 내 균일한 분포를 얻을 수 있었으며 이를 통해 낮은 함수율에서도 높은 이온 전도도를 유지하는 특성을 보였다. 또한 sGO의 함유량이 높아질수록 열적 안정성을 확보할 수 있었다.
후속연구
또한 sGO의 함유량이 높아질수록 열적 안정성을 확보할 수 있었다. 향후 본 연구의 결과를 활용한 연구가 지속되면 기존 Nafion 막의 문제점이었던 열적 안정성 및 저 가습에서의 성능 저하 등의 문제를 해결할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 전해질막 연료전지란 무엇인가?
고분자 전해질막 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cells, PEMFCs)는 연료인 수소와 산소가 가지는 화학 에너지를 전기화학적 반응을 통해 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 고효율의 친환경 신재생 에너지 기술이다.
NafionⓇ막의 장점은 무엇인가?
현재 PEMFCs용 전해질 막으로 가장 일반적으로 활용되고 있는 대표적인 전해질 막은 듀퐁사에서 제조한NafionⓇ 막이며, perflurosulfonic acid (PFSA)를 곁가지로 갖는 polytetrafluoroethylene (PTFE) 막이다. 이 상용막은 술폰산기가 응집하여 친수성을 갖는 클러스터도메인이 형성되고, 소수성의 PTFE 매트릭스 내에 분산되어 수화된 클러스터 영역에 물의 통로가 형성되기 때문에 높은 이온 전도도를 보이며, 기계적, 화학적 물성이 우수하다. 하지만, 높은 가격, 낮은 유리전이온도 및 장기안정성이 문제점으로 지적되고 있다.
막-전극 접합체는 어떠한 요소들로 구성되어 있는가?
PEMFCs에서 성능 및 내구성을 좌우하는 막-전극 접합체(Membrane electrode assembly, MEA)는 고분자전해질 막(PEM)과 전극(Anode, Cathode)으로 구성되어있다. 이 중 고분자 전해질은 PEMFCs의 핵심 구성요소로 수소이온을 산화극에서 환원극으로 이동시키는 역할과 연료의 크로스오버와 전자의 이동을 막아주는 역할을 한다[1-6].
참고문헌 (21)
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