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고분자 전해질 연료전지의 전해질 막 두께가 내구성과 성능에 미치는 영향
The Effect of Membrane Thickness on Durability and Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cell 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.55 no.4, 2017년, pp.473 - 477  

황병찬 (순천대학교 화학공학과) ,  이혜리 (순천대학교 화학공학과) ,  박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 고분자 막PEMFC 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

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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.
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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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참고문헌 (13)

  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. 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). 

  4. 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). 

  5. Pozio, A., Silva, R. F., Francesco, M. D. and Giorgi, L., "Nafion Degradation in PEFCs from End Plate Iron Contamination," Electrochim. Acta, 48, 1543-154(2003). 

  6. Xie, J., Wood III, D. L., Wayne, D. N., Zawodinski, T. A., Atanassov, P. and Borup, R. L., "Durability of PEFCs at Hight Humidity Conditions," J. Electrochem. Soc., 152, A104-A113(2005). 

  7. Curtin, D. E., Lousenberg, R. D., Henry, T. J., Tangeman, P. C. and Tisack, M. E., "Advanced Materials of Improved PEMFC Performance and Life," J. Power Sources, 131, 41-48(2004). 

  8. Collier, A., Wang, H., Yaun, X., Zhang, J. and Wilison, D. P., "Degradation of Polymer Electrolyte Membranes," Int. J. Hydrogen Energy, 31, 1838-1854(2006). 

  9. Laconti, A. B., Hamdan, M. and MacDonald, R. C., in: W. Vielstich, H. A. Gasteiger, A. Lamm (Eds.). Handbook of Fuel Cells: Fundamentals Technology and and Applications, Vol. 3, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, England, 611-612(2003). 

  10. Weber, A. Z., "Gas-Crossover and Membrane-Pinhole Effects in Polymer-Electrolyte Fuel Cells," Journal of The Electrochemical Society, 155(6), B521-B531(2008). plications, vol. 3, Wiley & Sons Ltd., Chichester, England, 647-662(2003). 

  11. Jeong, J. J., Jeong, J. H., Kim, S. H., Ahn, B. K., Ko, J. J. and Park, K. P., "Measurement of Hydrogen Crossover by Gas Chromatograph in PEMFC," Korean Chem. Eng. Res., 52(4), 425-429(2014). 

  12. 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(2), 487-491(2011). 

  13. Saurabh A. Vilekar, Ravindra Datta, "The Effect of Hydrogen Crossover on Open-circuit Voltage in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells," Journal of Power Sources, 195, 2241-2247(2010). 

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