전해질막을 사용하는 알칼라인연료전지는 최근 들어서 시스템 구성이 비슷하고 전해질막의 종류만 다른 기존의 양이온 교환막 연료전지를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 특히, 알칼라인 연료전지에서는 비백금계 저가 촉매가 사용 가능하여 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 알칼라인 연료전지 시스템에 적용하기 위한 고성능, 고내구성 음이온 교환막을 제조하기 위하여, 두 종류의 다공성 지지체인 폴리벤조옥사졸 지지체와 폴리에틸렌 지지체에 Fumion FAA 이오노머를 함침시켜, 기존의 Fumion 시리즈의 막보다 우수한 기계적 강도를 가지면서 높은 이온전도도를 유지할 수 있는 함침막을 제조하고자 하였다. 이를 통하여 최종적으로 지지체-함침막이 성공적으로 제조되었고, 이온 전도도와 기계적 특성이 지지체의 성질에 따라 서로 다른 결과를 보여 주었다. PE 지지체에 Fumion 이오노머를 함침시킨 함침막에서는 우수한 기계적 특성이 얻어졌지만, 이온전도도는 감소하였으며 특히 높은 온도에서 성능감소가 더욱 증가하였다. 반면에 PBO 지지체에 Fumion 이오노머를 함침 시킨 경우에는 PBO의 높은 염기성으로 인하여 함침 후에 높은 이온 전도도를 보였지만, Fumion-PE막에 비하여 상대적으로 낮은 기계적 특성을 나타내었다. 결과적으로 지지체-함침막 제조 시 알칼라인 연료전지의 운전조건에 따라 지지체의 특성을 충분히 고려하여 연구를 진행할 필요가 있다는 결론을 얻었다.
전해질막을 사용하는 알칼라인 연료전지는 최근 들어서 시스템 구성이 비슷하고 전해질막의 종류만 다른 기존의 양이온 교환막 연료전지를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 특히, 알칼라인 연료전지에서는 비백금계 저가 촉매가 사용 가능하여 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 알칼라인 연료전지 시스템에 적용하기 위한 고성능, 고내구성 음이온 교환막을 제조하기 위하여, 두 종류의 다공성 지지체인 폴리벤조옥사졸 지지체와 폴리에틸렌 지지체에 Fumion FAA 이오노머를 함침시켜, 기존의 Fumion 시리즈의 막보다 우수한 기계적 강도를 가지면서 높은 이온전도도를 유지할 수 있는 함침막을 제조하고자 하였다. 이를 통하여 최종적으로 지지체-함침막이 성공적으로 제조되었고, 이온 전도도와 기계적 특성이 지지체의 성질에 따라 서로 다른 결과를 보여 주었다. PE 지지체에 Fumion 이오노머를 함침시킨 함침막에서는 우수한 기계적 특성이 얻어졌지만, 이온전도도는 감소하였으며 특히 높은 온도에서 성능감소가 더욱 증가하였다. 반면에 PBO 지지체에 Fumion 이오노머를 함침 시킨 경우에는 PBO의 높은 염기성으로 인하여 함침 후에 높은 이온 전도도를 보였지만, Fumion-PE막에 비하여 상대적으로 낮은 기계적 특성을 나타내었다. 결과적으로 지지체-함침막 제조 시 알칼라인 연료전지의 운전조건에 따라 지지체의 특성을 충분히 고려하여 연구를 진행할 필요가 있다는 결론을 얻었다.
Alkaline fuel cells using polymer electrolyte membranes are expected to replace proton exchange membrane fuel cells, which have similar system configurations. In particular, in alkaline fuel cells, a low-cost non-platinium catalyst can be used. In this study, to fabricate high performance and high d...
Alkaline fuel cells using polymer electrolyte membranes are expected to replace proton exchange membrane fuel cells, which have similar system configurations. In particular, in alkaline fuel cells, a low-cost non-platinium catalyst can be used. In this study, to fabricate high performance and high durability anion exchange membranes for alkaline fuel cell systems, two kinds of supports, polybenzoxazole and polyethylene supports, were impregnated with Fumion FAA ionomer, by which we tried to fabricate the support-impregnated membrane which has higher mechanical strength and higher ion conductivity than the Fumion series. Finally, the Pore-filling membranes were successfully fabricated and ionic conductivity and mechanical properties were different depending on the properties of the supports. In the pore-filling membranes with Fumion ionomer on the PE support, excellent mechanical properties were obtained, but ionic conductivity decreased. On the other hand, when the PBO support was impregnated with Fumion ionomer, high ionic conductivity was shown after impregnation due to high basicity of PBO, but the mechanical strength was relatively low as compared with Fumion-PE membrane. As a result, it was concluded that it is necessary to consider the characteristics of the support according to the operating conditions of the alkaline fuel cell during the preparation of the pore-filling membranes.
Alkaline fuel cells using polymer electrolyte membranes are expected to replace proton exchange membrane fuel cells, which have similar system configurations. In particular, in alkaline fuel cells, a low-cost non-platinium catalyst can be used. In this study, to fabricate high performance and high durability anion exchange membranes for alkaline fuel cell systems, two kinds of supports, polybenzoxazole and polyethylene supports, were impregnated with Fumion FAA ionomer, by which we tried to fabricate the support-impregnated membrane which has higher mechanical strength and higher ion conductivity than the Fumion series. Finally, the Pore-filling membranes were successfully fabricated and ionic conductivity and mechanical properties were different depending on the properties of the supports. In the pore-filling membranes with Fumion ionomer on the PE support, excellent mechanical properties were obtained, but ionic conductivity decreased. On the other hand, when the PBO support was impregnated with Fumion ionomer, high ionic conductivity was shown after impregnation due to high basicity of PBO, but the mechanical strength was relatively low as compared with Fumion-PE membrane. As a result, it was concluded that it is necessary to consider the characteristics of the support according to the operating conditions of the alkaline fuel cell during the preparation of the pore-filling membranes.
본 연구에서는 서로 다른 기계적 특성을 갖는 두 종류의 다공성 지지체인 폴리벤조옥사졸(Polybenzoxazole)지지체와 폴리에틸렌(Polyethylene) 지지체에 음이온 교환 능력을 갖고 있는 이오노머인 Fumion FAA를 함침시켜, 기존의 Fumion 시리즈의 막보다 우수한 기계적 강도를 가지면서 높은 이온전도도를 유지할 수 있는 함침막을 제조하고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서 지지체로 사용된 다공성 막의 특성을 Table 1에 제시하였다. 또한, 지지체의 효과를 더 자세히 비교하기 위하여, 지지체가 도입되지 않은 Fumion평막을 제조하여 성능을 비교하였다. 최종적으로 얻어진 PBO 및 PE지지체에 Fumion을 함침시킨 함침막은 각각 Fumion-PBO 및 Fumion-PE로 명명하였으며, Fumion평막은 Fumion으로 본 논문에 표기를 하였다.
대상 데이터
함침막을 제조하기 위한 지지체로 전기방사한 폴리벤조옥사졸(Polybenzoxazole) 다공성 막을 한양대에서 제공받았고[14], 다공성 폴리에틸렌(Polyethylene) 막을 (주)W-SCOPE Co., Ltd.로부터 제공받아 사용하였다[15]. 함침용 이오노머는 Fumion FAA-3-SOLUT-10 (anionexchange polymer solution 10 wt% in NMP)를FUMATECH에서 구입하여 사용하였다.
로부터 제공받아 사용하였다[15]. 함침용 이오노머는 Fumion FAA-3-SOLUT-10 (anionexchange polymer solution 10 wt% in NMP)를FUMATECH에서 구입하여 사용하였다. 용매 및 친수처리용으로 사용된 NMP와 황산용액(sulfuric acid, 98%)은 (주)대정화금에서 구입하여 사용하였고, 초순수는 MERCK MILLIPORE사의 Direct-Q5 UV를 사용하여 제조하였다.
이론/모형
이온전도도는 SP-300 electrochemical impedance spectroscope (Bio Logic Science Instruments, UK)를이용하여 10 µHz에서 1 MHz의 frequency range에서 four-probe AC impedance법으로 측정하였다. 4개의 백금 전극이 연결되어 있는 테프론 셀에 막 샘플을 고정시켜 100% 가습조건에서 저항을 측정하였다.
성능/효과
두 종류의 지지체 PBO와 PE 다공성 막을 이용하여 Fumion 이오노머를 함침 시켰을 때, 최종 지지체-함침막이 성공적으로 제조되었고, 이온전도도와 기계적 특성이 지지체의 성질에 따라 서로 다른 결과를 보여 주었다. 지지체로 PE를 사용하고 Fumion 이오노머를 함침시킨 Fumion-PE 막에서는 PE의 우수한 Tensile strength와 Elongation at break 특성으로 인하여 최종 함침막의 기계적 특성도 매우 우수한 결과가 얻어졌지만, 이온 전도도는 감소하는 결과를 얻을 수 있었고 특히 고온에서 성능 감소가 두드러졌다. 하지만, PBO 지지체에 Fumion 이오노머를 함침 시킨 Fumion-PBO 막에서는 PBO의 높은 염기성으로 인하여 함침 후에도 이온전도도를 높게 유지할 수 있었지만, Tensile strength와 Elongation at break 결과는 Fumion-PE막에 못 미치는 결과를 얻었다.
지지체로 PE를 사용하고 Fumion 이오노머를 함침시킨 Fumion-PE 막에서는 PE의 우수한 Tensile strength와 Elongation at break 특성으로 인하여 최종 함침막의 기계적 특성도 매우 우수한 결과가 얻어졌지만, 이온 전도도는 감소하는 결과를 얻을 수 있었고 특히 고온에서 성능 감소가 두드러졌다. 하지만, PBO 지지체에 Fumion 이오노머를 함침 시킨 Fumion-PBO 막에서는 PBO의 높은 염기성으로 인하여 함침 후에도 이온전도도를 높게 유지할 수 있었지만, Tensile strength와 Elongation at break 결과는 Fumion-PE막에 못 미치는 결과를 얻었다. 따라서, 요구되는 알칼라인의 운전조건에 따라, 예를 들어 고온 운전 및 높은 성능을 요구할 경우에는 PBO 지지체가, 고온이 필요하진 않지만 기계적 물성이 요구되는 운전조건에서는 PE 지지체를 선택적으로 사용하는 등 지지체-함침막 제조 시 지지체의 특성을 충분히 고려하여 연구를 진행할 필요가 있다.
후속연구
하지만, PBO 지지체에 Fumion 이오노머를 함침 시킨 Fumion-PBO 막에서는 PBO의 높은 염기성으로 인하여 함침 후에도 이온전도도를 높게 유지할 수 있었지만, Tensile strength와 Elongation at break 결과는 Fumion-PE막에 못 미치는 결과를 얻었다. 따라서, 요구되는 알칼라인의 운전조건에 따라, 예를 들어 고온 운전 및 높은 성능을 요구할 경우에는 PBO 지지체가, 고온이 필요하진 않지만 기계적 물성이 요구되는 운전조건에서는 PE 지지체를 선택적으로 사용하는 등 지지체-함침막 제조 시 지지체의 특성을 충분히 고려하여 연구를 진행할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강화복합막 혹은 지지체-함침막 기술은 기존 전해질 막이 가진 문제를 어떻게 해결할 수 있는가?
특히, 연료전지 시스템이 자동차 분야를 중심으로 상용화 단계에 진입함에 따라서, 저가습 조건에서 자기 가습을 통한 우수한 성능을 가지면서도 높은 내구성을 유지할 수 있는 전해질 막이 요구되고 있다[1]. 이를 해결하기 위한 방안으로 다공성 지지체에 고분자 이오노머를 함침 시켜서 기계적 강도 및 열적 안정성을 높임과 동시에 얇은 막 두께를 달성하기 위한 강화복합막 혹은 지지체-함침막 기술이 각광을 받고 있다[5,10-13].
Nafion이란 무엇인가?
다양한 연료전지 중 자동차에는 주로 고분자 전해질 연료전지를 사용하는데 전해질로 사용되는 고분자 전해질 막이 성능에 많은 영향을 미친다[3]. 현재는 불소계 고분자 전해질 막인 Dupont사의 Nafion이 대표적으로 이용되고 있는데 Nafion은 수소이온을 선택적으로 투과하는 양이온 교환막이다[7,8]. 이러한 양이온 교환 막이 적용된 고분자 전해질 막 연료전지에는 귀금속류에 속하는 백금촉매가 사용하게 되는데, 이로 인하여 전체 연료전지 시스템의 가격을 상승시키는 원인이 되고 있다.
연료전지는 어떠한 특징을 가지고 있는가?
그중에서 연료전지는 수소가스를 산화전극에 공급하면, 산화전극의 촉매층에 의해 수소이온과 전자로 산화되어 전해질을 통해 환원전극으로 수소이온이 이동하게 되고 전자는 외부회로를 통해 이동하며 전류를 생성한 후에, 환원전극에 공급된 산소와 결합하여 물을 생성시키는 시키게 된다[3,4]. 따라서, 화석에너지를 연소시켜 얻은 동력을 전기로 변환하는 기존의 에너지 변환 방식과는 달리 화학에너지를 전기화학 촉매반응을 이용하여 전기에너지로 직접 변환함으로써 고효율, 고출력, 무공해, 무소음, 다연료, 모듈화 용이, 열 병합 가능 등의 특징을 가지고 있다[5,6].
참고문헌 (15)
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