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메조스케일 전산모사를 통한 술폰화 폴리이미드의 수화채널 형성 연구
Investigation of Water Channel Formation in Sufonated Polyimides Via Mesoscale Simulation 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.27 no.5, 2017년, pp.389 - 398  

박치훈 (경남과학기술대학교(GNTECH) 에너지공학과) ,  이소영 (한국과학기술원 연료전지센터) ,  이창현 (단국대학교 에너지공학과)

초록
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연료전지용 고분자 전해질막에 있어서 가장 중요한 특성인 수소이온 전달 능력은 내부에서 형성되는 수화채널의 분포 및 형상에 큰 영향을 받게 된다. 비과불화탄소계인 탄화수소계 전해질막의 경우, 과불화탄소계 전해질막인 나피온에 비하여 이러한 수화채널이 약하게 형성되는 것으로 알려져 있으며 따라서 상대적으로 낮은 이온전달 성능을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 컴퓨터를 이용한 전산모사 기술의 하나인 메조스케일 전산모사 기술을 이용하여 탄화수소계 연료전지용 전해질막인 술폰화 폴리이미드의 가습조건에서의 수화채널 형성 및 상분리 현상을 관찰하였다. 이를 통하여 술폰화 폴리이미드 내부에서 물분자 비드친수성 영역 전체에 걸쳐서 고르게 분포되며 명확한 수화 클러스터는 높은 술폰화도에서만 형성되는 것이 관찰되었다. 또한, 술폰화 폴리이미드 모델은 저가습 상태에서 수화 채널을 형성하는데에 나피온 모델에 비하여 더 어렵다는 것이 관찰되었다. 이러한 결과들은 비과불화불소계인 탄화수소계 전해질막의 수화채널 형성에 대한 기존 이론을 명확하게 뒷받침하고 있으며, 술폰화 폴리이미드의 전도도 경향도 잘 설명을 하고 있다. 따라서 메조스케일 전산 모사 기술은 연료전지용 전해질막의 상분리 현상 및 수화채널을 분석하고 이온전도 특성을 규명하는 데에 있어서 매우 효과적인 기술이 될 수 있다는 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The most important characteristic of the polymer electrolyte membranes (PEMs) for fuel cells, the proton conducting ability is mainly influenced by the distribution and morphology of the water channels inside the PEMs. Non-perfluorinated hydrocarbon PEMs are known to have weaker water channels than ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 위하여 다양한 술폰산기 비율, 즉 친수화도를 갖는 술폰화 폴리이미드의 3D 모델을 메조스케일 전산모사 기술을 이용하여 생성하였으며, 비교를 위하여 과불화탄소계 전해질인 나피온을 이용하여 이를 검증하고자 하였다. 또한, 일반적으로 혼용되어 사용되고 있는 친수성 채널(혹은 친수성 영역)과 수화채널 및 물분자가 강하게 뭉쳐있는 수화클러스터 간의 차이를 명확하게 하여, 수화상태의 고분자 전해질막에 대한 이해를 증진시키고자 하였다.
  • 본 연구에서는 메조스케일 전산모사 기술을 이용하여 탄화수소계 연료전지용 전해질막인 술폰화 폴리이미드의 가습조건에서의 수화채널 형성 및 상분리 현상을 관찰하였다. 술폰화 폴리이미드의 술폰산기 단량체 비율을 늘려가면서 메조스케일 모델을 생성시켰을 때, 물분자 비드는 친수성 영역 전체에 걸쳐서 고르게 분포되며 수화채널이 점점 넓어지는 것이 관찰되었으나, 몰비가 0.
  • 본 연구에서는 이러한 메조스케일 전산모사 기술을 사용하여, 비과불화탄소계 고분자 전해질인 술폰화 폴리이미드의 구조를 바탕으로 탄화수소계 전해막 내부의 수화채널이 어떻게 형성이 되는지 규명하고자 한다. 이를 위하여 다양한 술폰산기 비율, 즉 친수화도를 갖는 술폰화 폴리이미드의 3D 모델을 메조스케일 전산모사 기술을 이용하여 생성하였으며, 비교를 위하여 과불화탄소계 전해질인 나피온을 이용하여 이를 검증하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수소를 연료로 사용한 고분자 전해질 연료전지는 어떠한 방식으로 전기 에너지를 생산하는가? 연료전지, 특히 수소를 연료로 사용한 고분자 전해질 연료전지에서는 수소 및 산소가 전기화학적인 산화-환원 반응을 통하여 전기에너지를 생산하게 되는데, 이때 고분자 전해질을 통하여 수소이온이 얼마나 효과적으로 전달되는지에 따라서 연료전지의 성능이 결정되게 된다[13,15-17]. 일반적으로 수소이온은 고분자 전해질 내에서 흡수된 물분자들이 형성하는 수화채널을 통해 전달되기 때문에, 이러한 수화채널이 어떤 형상을 가지고 있는지가 매우 중요하게 되는데, 만약 수화채널이 강하게 형성되어 서로 잘 이어져 있고 직경이 크다면 수소이온이 잘 통과할 수 있고, 반대로 수화채널이 약하게 형성되어 막힌 채널이 많고 직경이 작다면 수소이온이 통과하기 어렵게 된다[18-22].
수소를 연료로 사용한 고분자 전해질 연료전지에서 수소이온은 어떠한 채널을 통해 전달되는가? 연료전지, 특히 수소를 연료로 사용한 고분자 전해질 연료전지에서는 수소 및 산소가 전기화학적인 산화-환원 반응을 통하여 전기에너지를 생산하게 되는데, 이때 고분자 전해질을 통하여 수소이온이 얼마나 효과적으로 전달되는지에 따라서 연료전지의 성능이 결정되게 된다[13,15-17]. 일반적으로 수소이온은 고분자 전해질 내에서 흡수된 물분자들이 형성하는 수화채널을 통해 전달되기 때문에, 이러한 수화채널이 어떤 형상을 가지고 있는지가 매우 중요하게 되는데, 만약 수화채널이 강하게 형성되어 서로 잘 이어져 있고 직경이 크다면 수소이온이 잘 통과할 수 있고, 반대로 수화채널이 약하게 형성되어 막힌 채널이 많고 직경이 작다면 수소이온이 통과하기 어렵게 된다[18-22].
메조스케일 전산모사의 장점은 무엇인가? 따라서, 원자 및 분자 단위에서 물질을 이해할 수 있는 컴퓨터를 이용한 전산모사 방법이 이러한 고분자 전해질 내 수화채널 형성 및 상분리 현상을 규명하기 위하여 활발하게 연구되고 있다[15,22,28]. 이 중에서도 메조스케일 전산모사의 경우, 원자를 그룹으로 묶어 비드라는 하나의 단위로 표현한 후에 이를 최소 계산 단위로 전산모사를 수행하기 때문에, 원자 자체를 하나의 단위로 계산하는 분자 동역학 전산모사에 비하여 더 큰 모델을 더 오랜 기간 동안 모사할 수 있으며, 반면에 원자 및 분자를 모사 대상으로 하지 않는 유체역학 및 수치해석적 방법을 이용하는 유한요소해석 전산모사와 달리 비드를 통해 표현되는 분자의 형상을 파악할 수 있다는 장점이 있다[22,28-31].
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참고문헌 (42)

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