고분자 전해질 연료전지(PEFC)용 poly(arylene ether sulfone)/SiO2 복합막의 제조 및 특성분석 Preparation and Characterizations of poly(arylene ether sulfone)/SiO2 Composite Membranes for Polymer Electrolyte Fuel Cell원문보기
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 전해질막의 화학적 안정성의 향상을 위하여 3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG)과 poly(arylene ether sulfone)(SPAES)을 이용하여 복합막을 제조하였다. 일반적으로 방향족 탄화수소계 고분자막은 전극 부분에서 발생한 라디컬에 의한 고분자산화가 일어나 내구성이 감소하게 되는데 이는 대부분 주쇄에 포함된 에테르 기 부분의 취약성으로 발생한다. 본 연구에서는 이러한 라디칼에 의한 고분자 주쇄의 산화를 방지하기 위해 친수성의 무기물 입자를 도입하여 이온전도도 감소율을 최소화하고 산화안정성을 높이고자 하였다. 복합막들의 물성 및 전기화학적 특성을 평가하기 위해 접촉각, FT-IR, 이온전도도, 이온교환용량(IEC), 함수율, 열안정성 등을 수행하였다. 실리카의 함량이 0에서 0.5%까지 증가함에 따라 이온전도도 및 함수율은 각각 10% 감소한 0.076 S cm-1 및 16% 감소한 24.6 wt%이었으나, 산화안정성은 10% 향상되었다.
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 전해질막의 화학적 안정성의 향상을 위하여 3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG)과 poly(arylene ether sulfone)(SPAES)을 이용하여 복합막을 제조하였다. 일반적으로 방향족 탄화수소계 고분자막은 전극 부분에서 발생한 라디컬에 의한 고분자 산화가 일어나 내구성이 감소하게 되는데 이는 대부분 주쇄에 포함된 에테르 기 부분의 취약성으로 발생한다. 본 연구에서는 이러한 라디칼에 의한 고분자 주쇄의 산화를 방지하기 위해 친수성의 무기물 입자를 도입하여 이온전도도 감소율을 최소화하고 산화안정성을 높이고자 하였다. 복합막들의 물성 및 전기화학적 특성을 평가하기 위해 접촉각, FT-IR, 이온전도도, 이온교환용량(IEC), 함수율, 열안정성 등을 수행하였다. 실리카의 함량이 0에서 0.5%까지 증가함에 따라 이온전도도 및 함수율은 각각 10% 감소한 0.076 S cm-1 및 16% 감소한 24.6 wt%이었으나, 산화안정성은 10% 향상되었다.
Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)-3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG) composite membranes with improved oxidative stability were prepared for polymer electrolyte fuel cell application. It has been reported that ether part of main chain of aromatic hydrocarbon based membranes were weak ...
Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)-3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG) composite membranes with improved oxidative stability were prepared for polymer electrolyte fuel cell application. It has been reported that ether part of main chain of aromatic hydrocarbon based membranes were weak to radical attack to decrease membrane durability. In this study, the hydrophilic inorganic particles were introduced by minimizing a decrease in ion conductivity and increasing an oxidative stability. The composite membranes were investigated in terms of ionic conductivity, ion exchange capacity (IEC), FT-IR, TGA and contact angle, etc. As a result, increasing amount of the 3MPTSG resulted in decrease in proton conductivities and water uptakes at 100% R.H. but enhanced thermal and oxidative stabilities.
Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)-3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG) composite membranes with improved oxidative stability were prepared for polymer electrolyte fuel cell application. It has been reported that ether part of main chain of aromatic hydrocarbon based membranes were weak to radical attack to decrease membrane durability. In this study, the hydrophilic inorganic particles were introduced by minimizing a decrease in ion conductivity and increasing an oxidative stability. The composite membranes were investigated in terms of ionic conductivity, ion exchange capacity (IEC), FT-IR, TGA and contact angle, etc. As a result, increasing amount of the 3MPTSG resulted in decrease in proton conductivities and water uptakes at 100% R.H. but enhanced thermal and oxidative stabilities.
본 연구에는 무기입자인 3MPTSG의 함량에 따른 SPAES막의 영향을 확인하기 위해 다양한 복합 전해질 막을 제조 실험을 진행하였다. 현재 보고된 연구들의 결과 무기물의 입경의 사이즈 및 표면적 등이 분산도와 물리적 안정성 및 이온 채널형성에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되었고, 특히 기존 실리카에 thiol기가 기능기로 첨가되었을 시 높은 표면적 및 분산도를 보이는 결과가 보고되었다.
제안 방법
이에 SiO2 의 함량을 변화하여 다양한 SiO2 /SPAES 복합막을 제조하여 특성을 분석하였다. SiO2 /SPAES 복합막의 물리적, 화학적 물성을 적외선분광법(Fourier transform infrared spectrometry, FT-IR), 접촉각(Contact angle) 등을 통해 측정하였고, 또한, 복합막의 함수율, 이온교환용량 및 수소이온전도도를 측정하였다.
본 연구에서는 thiol기가 도입되어 있는 SiO2 인 3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG)을 무기 충진제로 사용하여 poly(arylene ether sulfone) (SPAES)막에 도입하였으며, 화학적 열화의 영향을 확인하기 위해 fenton’s test를 실시하였다. 3MPTSG는 기존 SiO2 보다 고분자 내에서 물의 채널을 효과적으로 형성시켜준다고 보고되었다[14].
3MPTSG는 기존 SiO2 보다 고분자 내에서 물의 채널을 효과적으로 형성시켜준다고 보고되었다[14]. 이에 SiO2 의 함량을 변화하여 다양한 SiO2 /SPAES 복합막을 제조하여 특성을 분석하였다. SiO2 /SPAES 복합막의 물리적, 화학적 물성을 적외선분광법(Fourier transform infrared spectrometry, FT-IR), 접촉각(Contact angle) 등을 통해 측정하였고, 또한, 복합막의 함수율, 이온교환용량 및 수소이온전도도를 측정하였다.
대상 데이터
SPAE50 고분자를 NMP (N-methyl- 2-pyrrolidone, Sigma aldrich, USA)에 용해하여 10 wt% 농도의 고분자 용액을 제조 하였다. 3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG, TCI, Japan, surface area : 500 m2 g-1 , thiol funtional group : 0.5~0.8 mmol g-1 )을 정제과정 없이 사용하였다. 준비된 SPAES 용액과 3MPTSG를 혼합하여, 고분자 혼합 용액을 준비한다.
1과 같은 구조를 가지며 다음의 합성방법[14]으로 제조하여 사용하였다. SPAE50 고분자를 NMP (N-methyl- 2-pyrrolidone, Sigma aldrich, USA)에 용해하여 10 wt% 농도의 고분자 용액을 제조 하였다. 3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG, TCI, Japan, surface area : 500 m2 g-1 , thiol funtional group : 0.
데이터처리
제조한 SiO2 /SPAES 50 복합막의 화학적 구조는 적외선분광법(Fourier transform infrared spectrometry, FT-IR, FS 66/S, BRUKER OPTIK GMBH)을 통해 분석하였다.
성능/효과
제조된 SiO2 / SPAES 복합막은 무기입자의 함량이 높아질수록 산화안정성에 효과를 확인하였다. 100% 상대습도의 환경에서 SiO2 는 고분자 매트릭스안의 물 클러스터 형성을 제한함으로 함수율과 이온전도도의 감소를 보였다. SiO2 의 도입으로 주쇄의 열적 안정성을 확보할 수 있었다.
무기입자를 SPAES 고분자에 첨가하여 복합막을 제조하였다. SiO2 무기입자함량을 0~0.5%의 다양한 막을 제조하였으며. 제조된 SiO2 / SPAES 복합막은 무기입자의 함량이 높아질수록 산화안정성에 효과를 확인하였다. 100% 상대습도의 환경에서 SiO2 는 고분자 매트릭스안의 물 클러스터 형성을 제한함으로 함수율과 이온전도도의 감소를 보였다.
100% 상대습도의 환경에서 SiO2 는 고분자 매트릭스안의 물 클러스터 형성을 제한함으로 함수율과 이온전도도의 감소를 보였다. SiO2 의 도입으로 주쇄의 열적 안정성을 확보할 수 있었다. 향후본 연구의 결과를 활용한 연구가 지속되면 기존 SPAES 막의 문제점이었던 열 및 화학적 열화 등에 의한 성능 저하 등의 문제를 해결하여 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
SiO2 의 도입으로 주쇄의 열적 안정성을 확보할 수 있었다. 향후본 연구의 결과를 활용한 연구가 지속되면 기존 SPAES 막의 문제점이었던 열 및 화학적 열화 등에 의한 성능 저하 등의 문제를 해결하여 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전해질막의 열화를 방지하기 위한 대책은 무엇인가?
이에 고온/저가습 조건에서 발생하는 전해질막의 건조를 방지하고, 기계적 안정성 및 열적 안정성을 높일수 있는 수분을 잘 흡수할 수 있는 ZrO2 , SiO2 , TiO2 또는 ZeO2 /SO4 등의 무기입자들 첨가한 유-무기 복합 전해질막(Organic-inorganic composite membrane) 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 이 연구들의 결과 고온 및 저가습의 조건에서 이온전도도 및 함수율의 증가된 효과가 보고되었다[11-15].
PEFC에서 성능 및 내구성을 좌우하는 막-전극 접합체의 특징은 무엇인가?
PEFC에서 성능 및 내구성을 좌우하는 막-전극 접합체(Membrane electrode assembly, MEA)는 고분자 전해질막(PEM)과 전극(Anode, Cathode)으로 구성되어 있고, 상용화에 있어서 이의 높은 가격과 짧은 수명이 이슈가 되고 있다. 이 중 고분자 전해질은 PEFC의 핵심 구성요소로 수소이온을 산화극에서 환원극으로 이동시키는 역할을 하며, 우수한 성능을 내기 위해서는 높은 이온전도도, 화학적⋅기계적⋅치수 안정성 및 낮은 연료투과도 등의 조건을 만족하여야 한다[1-6].
고분자 전해질막 연료전지란 무엇인가?
고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte fuel cell, PEFC)는 연료가 가지고 있는 에너지를 고분자막을 전해질로 사용하여 화학반응에 의해 전기에너지와 열에너지로 변환 가능한 높은 효율의 친환경적인 신재생 에너지 기술이다. 현재 PEFC는 단순한 시스템과 저온작동 등의 장점으로 휴대용 및 수송용의 대체 에너지로 각광받고 있다.
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