고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 고분자 막은 PEMFC 성능과 내구성에 많은 영향을 준다. 본 연구에서는 고분자막의 두께가 성능과 내구성에 미치는 영향을 파악하기 위해 두께가 다른 Nafion 막의 수소투과도, 불소 유출 속도(FER), 수명, 성능을 측정했다. 막 두께에 따른 수소투과도, 수소투과도와 FER과의 관계, FER과 수명과의 관계로부터 막 두께와 수명의 관계를 얻었다. 막이 두꺼워지면 수소투과도와 FER이 작아지면서 수명이 증가하였다. 반면에 막이 두꺼워지면 막 저항이 증가하면서 성능은 감소하였다. 성능과 내구성을 동시에 만족시키는 막 두께 범위는 $25{\sim}28{\mu}m$였다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 고분자 막은 PEMFC 성능과 내구성에 많은 영향을 준다. 본 연구에서는 고분자막의 두께가 성능과 내구성에 미치는 영향을 파악하기 위해 두께가 다른 Nafion 막의 수소투과도, 불소 유출 속도(FER), 수명, 성능을 측정했다. 막 두께에 따른 수소투과도, 수소투과도와 FER과의 관계, FER과 수명과의 관계로부터 막 두께와 수명의 관계를 얻었다. 막이 두꺼워지면 수소투과도와 FER이 작아지면서 수명이 증가하였다. 반면에 막이 두꺼워지면 막 저항이 증가하면서 성능은 감소하였다. 성능과 내구성을 동시에 만족시키는 막 두께 범위는 $25{\sim}28{\mu}m$였다.
The polymer membrane of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has a great influence on PEMFC performance and durability. In this study, hydrogen permeability, fluorine emission rate (FER), lifetime, and performance of Nafion membranes with different thicknesses were measured to investigate the ...
The polymer membrane of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has a great influence on PEMFC performance and durability. In this study, hydrogen permeability, fluorine emission rate (FER), lifetime, and performance of Nafion membranes with different thicknesses were measured to investigate the effect of thickness of polymer membrane on performance and durability. The relationship between membrane thickness and lifetime was obtained from the relationships between hydrogen permeability and membrane thickness, hydrogen permeability and FER, FER and lifetime. As the membrane became thicker, the hydrogen permeability and FER decreased and the lifetime increased. On the other hand, the performance decreased with increasing membrane resistance. The membrane thickness range satisfying both performance and durability was 25 to $28{\mu}m$.
The polymer membrane of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has a great influence on PEMFC performance and durability. In this study, hydrogen permeability, fluorine emission rate (FER), lifetime, and performance of Nafion membranes with different thicknesses were measured to investigate the effect of thickness of polymer membrane on performance and durability. The relationship between membrane thickness and lifetime was obtained from the relationships between hydrogen permeability and membrane thickness, hydrogen permeability and FER, FER and lifetime. As the membrane became thicker, the hydrogen permeability and FER decreased and the lifetime increased. On the other hand, the performance decreased with increasing membrane resistance. The membrane thickness range satisfying both performance and durability was 25 to $28{\mu}m$.
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문제 정의
고분자 전해질 막은 서로 상반되는 두 가지 역할을 해야 하기 때문에 한쪽으로 치우치지 않은 적합한 막 두께를 결정하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는막두께를 변화시키며연료전지의 성능과 내구성을 측정해 성능과 내구성을 모두 만족시키는 막 두께 범위를 산출하는 방법에 대해 연구하였다. 이때 막 열화는 전기화학적 열화만 고려하여 막의 수명을 예측하였다.
제안 방법
셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다. 12시간 MEA(Membrane and Electrode Assembly)를 활성화 시키고 일반적인 PEMFC 구동조건(70 oC, 100% RH, anode 1.5 stoi. cathode 2.0 stoi.)에서 I-V 성능 곡선을 측정하였다.
Injection port와 column, 검출기의 온도는 각각 100 oC, 40oC, 110 oC를 유지하였다. 5,000 ppm 수소 표준가스를 기체 혼합기에서 고순도 아르곤과 혼합해 5~50 ppm 수소로 만들어 검량곡선을 작성하였다. PEMFC anode에는 고순도 수소 가스를, cathode에는 아르곤을 일정 유량으로 유입하고 cathode 출구 가스를 응축기(−5 oC)를 통과시킨 후 GC 유입구에 직접 유입해 수소 농도를 측정하였다.
전기화학적 막 열화 속도가 높은 조건은 OCV와 같은 높은 전압, 상대습도 0~30%의 저 가습, 80~90 o C와 같은 고온 조건으로 이들 조건을 조합해 실험을 진행 했다. FER이 크면, 즉 열화가 잘 되면 수명이 짧으므로 두 값을 곱하면 일정한 값에 접근 할 것이라는 생각으로 FER에 의한 막의 수명을 예측하는 식을 만들었다. 단, 이 때 막의 열화는 수축/팽창과 같은 물리적 열화(mechanical degradation)는 없고 전기화학적 열화에 의해 주로 진행될 때 적합한 식이다.
Fenton 반응에 의해 Nafion막을 열화시킨 후 FER을 측정하고, 열화된 막을 셀에 체결한 후 GC로 수소투과도를 측정했다(Fig. 2). Fig.
Fenton 실험 후 용액 중 불소 이온 농도를 측정하여 ISE Meter(Ion Selective Electrode Meter, PH-250L, ISTEK, Inc.)를 이용해 측정한 후 FER (Fluoride Emission Rate)을 계산했다. 검량곡선 작성을위해 sodium fluoride를이용하여 1,000 ppm, 100 ppm 표준용액을 제조하였다.
9% Sigma-Aldrich) 4ppm 제조해 80oC 온도에서 실험했다. Fenton용액과 막이 반응할 때 막 표면에 기포가 생기는 것과,팽창에 의해 변형되는 것을 막기 위해 스텐리스 스틸 재질로 실험 보조기구를 제작하여 막을 고정시켰다.
Nafion 막 양면에 데칼 방법에 의해 Pt/C 전극 입자를 코팅해 anode와 cathode 모두 Pt 함량 0.4 mg/cm2 인 막전극합체 (Membrane and Electrode Assembly, MEA)를 제조하였다. 전극 면적이 25 cm2 인MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다.
PEMFC anode에는 고순도 수소 가스를, cathode에는 아르곤을 일정 유량으로 유입하고 cathode 출구 가스를 응축기(−5 oC)를 통과시킨 후 GC 유입구에 직접 유입해 수소 농도를 측정하였다.
검량곡선 작성을위해 sodium fluoride를이용하여 1,000 ppm, 100 ppm 표준용액을 제조하였다. TISAB (Total Ionic Strength Adjuster Buffer)용액을 제조하여 표준용액과 1:1 비율로 섞어서 측정하였다. TISAB용액은 용액의 pH를 맞추고 착물화된 불소를 다시 이온화시킬 뿐만 아니라 이온 세기를 일정하게 하는데 사용한다.
고분자 막 두께에 따른 수소투과도를 Nafion 막에서 GC로 측정하였다(Fig. 1). MEA 상태에서 LSV 방법에 의해 막의 수소투과도를 측정하는 것은 전극의 촉매상태에 영향을 받을 수 있으나, 막 상태에서 GC로 수소투과도 측정은 전극 영향을 받지 않아 보다 정확한 측정 방법이다.
7%인 분리판을 사용했다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다. 12시간 MEA(Membrane and Electrode Assembly)를 활성화 시키고 일반적인 PEMFC 구동조건(70 oC, 100% RH, anode 1.
본 연구에서는막두께를 변화시키며연료전지의 성능과 내구성을 측정해 성능과 내구성을 모두 만족시키는 막 두께 범위를 산출하는 방법에 대해 연구하였다. 이때 막 열화는 전기화학적 열화만 고려하여 막의 수명을 예측하였다.
전기화학적 막 열화 속도가 높은 여러 조건에서 FER를 측정하고, 이 조건에서 성능이 10%로 감소하는 시간을 수명(Tlife)으로 정하고, Tlife를 측정하여 상관관계를 구하였다(Fig. 3). 전기화학적 막 열화 속도가 높은 조건은 OCV와 같은 높은 전압, 상대습도 0~30%의 저 가습, 80~90 o C와 같은 고온 조건으로 이들 조건을 조합해 실험을 진행 했다.
3). 전기화학적 막 열화 속도가 높은 조건은 OCV와 같은 높은 전압, 상대습도 0~30%의 저 가습, 80~90 o C와 같은 고온 조건으로 이들 조건을 조합해 실험을 진행 했다. FER이 크면, 즉 열화가 잘 되면 수명이 짧으므로 두 값을 곱하면 일정한 값에 접근 할 것이라는 생각으로 FER에 의한 막의 수명을 예측하는 식을 만들었다.
)를 이용해 측정한 후 FER (Fluoride Emission Rate)을 계산했다. 검량곡선 작성을위해 sodium fluoride를이용하여 1,000 ppm, 100 ppm 표준용액을 제조하였다. TISAB (Total Ionic Strength Adjuster Buffer)용액을 제조하여 표준용액과 1:1 비율로 섞어서 측정하였다.
전극 면적이 25 cm2 인MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다. 셀을 구성하는 분리판(separator)의 유로 면적비가 기체의 막 투과도에 영향을 줄 수 있는데, 본 실험에서는 유로 면적이 66.7%인 분리판을 사용했다. 셀의 온도, 유량, 상대습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다.
수소 농도 측정에 사용한 기체 크로마토그래프(GC, SHIMADZU GC -2014)는 열전도도 검출기(TCD)와 분자체 칼럼(molecular sieve column, 5A F-3847, 3.0 m, 3.0 mm ID)으로 구성 되었다. Injection port와 column, 검출기의 온도는 각각 100 oC, 40oC, 110 oC를 유지하였다.
4 mg/cm2 인 막전극합체 (Membrane and Electrode Assembly, MEA)를 제조하였다. 전극 면적이 25 cm2 인MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)를 셀에 80토크로 체결하였다. 셀을 구성하는 분리판(separator)의 유로 면적비가 기체의 막 투과도에 영향을 줄 수 있는데, 본 실험에서는 유로 면적이 66.
이론/모형
셀이 아닌 전해질 막 상태에서 화학적 열화를 시킬 때 Fenton 반응을 이용하였다. Fenton 용액은 H2O2 (34.
성능/효과
그래서 수소투과도와 불소유출속도는 비례관계가 성립하였다. FER이 증가하면 막의 수명이 감소하는 관계를 실험을 통해 얻을 수 있었고, 이런 관계식들에 의해 결국 막 두께가 증가하면 막 수명이 지수 함수적으로 증가하는 관계식을 얻었다.
고분자 전해질 연료전지에서 막 두께가 두꺼워지면 수소투과도가 감소하였고, 수소투과도 감소에 의해 OCV는 증가하였다. 그렇지만 막 두께 증가에 따라 막 저항이 커져 MEA 성능은 감소하였다.
그렇지만 막 두께 증가에 따라 막 저항이 커져 MEA 성능은 감소하였다. 막 열화는 물리적 열화는 없이 전기화학적 열화조건으로 열화 가속 시험하였고, 막 열화가 진행되면 핀홀 등이 발생하고 불소 유출 속도도 증가하며 수소투과도가 증가하였다. 그래서 수소투과도와 불소유출속도는 비례관계가 성립하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 전해질 연료전지가 다양한 분야에서 각광받는 이유는?
낮은 온도에서 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 높은 에너지 전환 효율을 갖으며, 환경 친화적이기 때문에 다양한 분야에서 전력 공급원으로 각광받고 있는, 고분자 전해질 연료전지는 여러 종류의 연료전지 중에서 수송용 연료전지로서 제일 적합하기 때문에 친환경자동차 개발이 시급한 자동차 회사들이 활발히 기술 개발하여 양산과 시판 단계에 이르렀다.
고분자 막은 구동 중에 무엇에 의하여 수명이 단축되는가?
고분자 막은 구동 중에 전기화학적 열화(degradation)와 물리적 열화에 의해 수명이 단축된다[8,9]. 전기화학적 열화의 주요 원인은 수소와 산소가 고분자막을 통과해(crossover) 전극 촉매 백금 상에서 라디칼을 생성하는 것이다.
고분자 전해질 막의 서로 상반되는 두가지 역할이란?
PEMFC의 고분자 막은 수소 이온 전도체, 양쪽 극의 가스 차단,
양쪽 전극 간 직접 전자이동 저지 등의 역할을 한다. 수소 이온 전달 속도를 높이기 위해서는 막을 얇게 해야 하지만 가스 차단 및 전자이동 저지를 위해서는 막이 두꺼워야한다. 이온전도도는 성능과 출력에 관계되고 가스 차단 및 전자 이동 차단은 내구성에 관계된다.
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