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용액 코팅법을 통한 연료전지용 불소계 전해질 강화복합막의 특성에 미치는 분산용매의 영향
Effect of Dispersion Solvent on Properties of Fluorinated Polymer Reinforced Composite Membrane for Fuel Cell by Solution Coating Method 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.3, 2019년, pp.413 - 419  

육승호 (한국과학기술연구원 수소.연료전지연구단) ,  윤기로 (한국생산기술연구원 산업용섬유그룹) ,  최지훈 (한국과학기술연구원 수소.연료전지연구단) ,  이주성 (한국과학기술연구원 수소.연료전지연구단) ,  김종민 (한국과학기술연구원 수소.연료전지연구단) ,  이승우 (조지아공과대학 기계공학과) ,  이관영 (고려대학교 화공생명공학과) ,  김진영 (한국과학기술연구원 수소.연료전지연구단)

초록
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최근 화석연료기반에서 친환경 수소 기반의 청정에너지원으로 전환되는 세계적 흐름에 따라, 수소연료전지의 고성능 저가격 핵심 소재 기술 개발에 많은 관심이 이루어지고 있다. 그 가운데 연료전지의 전해질로 사용되는 강화복합막의 기술 도입은 과불소계 술폰산 이오노머(Perfluorosulfonic acid, PFSA) 양의 감소 및 막 두께 감소를 통한 가격 저감 및 셀 저항 감소, 치수 안정성 개선 그리고 계면 안정성에 대한 확보가 가능하여 최종적으로 연료전지 성능 향상과 가격절감이 동시에 가능하다. 본 연구에서는 연료전지용 불소계 전해질 강화복합막 코팅 공정에서 이오노머 분산용매에 따라 막 형성 및 물성 변화와 연료전지 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the recent, as a world demand of energy resources has been transformed from fossil fuels to hydrogen-based clean energy resources, a huge attention has been attracted to increase the performance and decrease a production cost of core materials in fuel cell technology. The utilization of reinforce...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 용액공정을 통한 강화복합막 제조시 사용되는 PFSA 용매에 따라 다공성 PTFE 필름에 함침되는 정도를 확인하고, 전해질막의 물성 및 PEMFC내에서의 전기화학적 특성에 대한 영향을 확인하였다. PFSA 이오노머를 분산시키기 위한 용매로 DMAc, DMF, 1-프로판올 수용액, 에탄올 수용액 등을 선정하여 PFSA/ PTFE 강화복합막을 제조하였으며 제조된 막은 10-13µm의 두께를 가진 3층막의 형태를 보였다.
  • 이를 반영하여 최근에 폴리테트라플로로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 이소불화비닐(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 같은 재질의 다공성 지지체에 PFSA 이오노머를 함침시킨 형태의 강화복합형 고분자 전해질막(Reinforced polymer composite membrane)이 연료전지 운전에서 성능과 내구성을 개선하기 위한 해결책으로 제시 된다. PTFE 소재는 PFSA에 비해 원가가 낮고, PTFE의 부피만큼 PFSA를 대체하여 사용량을 줄이고 기계적 물성을 보완하여 더 얇은 두께로 제작할 수 있다는 장점이 있어서 PEM 전기화학소자(연료 전지, 수전해 등)의 강화복합막 제작에 많이 사용되고 있는 상황이다[6-8].
  • 이에 본 연구는 최근 수소차용 연료전지 강화복합막으로 가장 연구가 많이 되는 조성인 불소계 전해질 PFSA/PTFE의 용액 코팅 공정에서 분산용매의 특성에 따라 전해질 물성과 PEMFC에서의 전기화학적 특성에 대해 평가하였다. 본 연구에서 선정된 분산용매는 극성 용매로 PFSA와 비교적 좋은 분산도를 유지하기 위해 용해도 계수(Solubility parameter)가 유사한 4가지 용매로 평가하였다: 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc, 99%), 디메틸포름 아마이드(Dimethylformamide, DMF, 99%), 1-프로판올 수용액, 에탄올 수용액.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연료전지의 장점은? 연료전지의 작동원리는 음극에서 수소를 수소이온과 전자로 변환시키고, 변환된 수소이온은 전해질막을 통해 양극으로 이동하며, 양극에서 는 수소이온이 산소와 전자가 만나서 물을 생성시키는데, 이때 전자가 외부회로를 통과하면서 전류를 발생시킨다. 이런 원리를 통하여 화학에너지를 전기에너지로 직접적으로 변환시키기 때문에 화석연료보다는 에너지 변환 효율이 매우 높다. 더불어 반응 후 부산물로 물만 배출하기 때문에 친환경적인 장점이 있다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 직접 에탄올 연료전지(DMFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC)등으로 분류된다[1,2].
연료전지의 작동원리는? 연료전지는 화석연료기반에서 수소경제사회로의 전환을 이끄는 새로운 동력원으로써 전세계적으로 많은 관심을 받고 있다. 연료전지의 작동원리는 음극에서 수소를 수소이온과 전자로 변환시키고, 변환된 수소이온은 전해질막을 통해 양극으로 이동하며, 양극에서 는 수소이온이 산소와 전자가 만나서 물을 생성시키는데, 이때 전자가 외부회로를 통과하면서 전류를 발생시킨다. 이런 원리를 통하여 화학에너지를 전기에너지로 직접적으로 변환시키기 때문에 화석연료보다는 에너지 변환 효율이 매우 높다.
연료전지란무엇인가 연료전지는 화석연료기반에서 수소경제사회로의 전환을 이끄는 새로운 동력원으로써 전세계적으로 많은 관심을 받고 있다. 연료전지의 작동원리는 음극에서 수소를 수소이온과 전자로 변환시키고, 변환된 수소이온은 전해질막을 통해 양극으로 이동하며, 양극에서 는 수소이온이 산소와 전자가 만나서 물을 생성시키는데, 이때 전자가 외부회로를 통과하면서 전류를 발생시킨다.
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참고문헌 (20)

  1. Peighambardoust, S. J., Rowshanzamir, S. and Amjadi, M., "Review of the Proton Exchange Membranes for Fuel Cell Applications," Int. J. Hydrog. Energy, 35(17), 9349-9384(2010). 

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  3. Whittingham, M. S., Savinell, R. F. and Zawodzinski, T., "Introduction: Batteries and Fuel Cells," Chem. Rev., 104(10), 4243-4244 (2014). 

  4. Ahmet, K. and Adam, Z. W., "New Insights into Perfluorinated Sulfonic-Acid Ionomers," Chem. Rev, 117(3), 987-1104(2017). 

  5. Ameduri, B., "Fluoropolymers: The Right Material for the Right Applications," Chem. Eur. J., 24(71), 18830-18841(2018). 

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  7. Yamaguchi, T., Miyata, F. and Nakao, S., "Polymer Electrolyte Membranes with a Pore-filling Structure for a Direct Methanol Fuel Cell," Adv. Mater., 15(14), 1198-1201(2003). 

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  9. Mohammad, E., Z., Fereidoon, M. and Ahmad, R., "Investigation of Solvent-solute Interactions and Film Properties of Perfluorinated Sulfonic Acid (PFSA)ionomers," Iran Polym. J., 25(7), 589-596(2016). 

  10. Dai, J. C., Teng, X. G., Song, Y. Q. and Ren, J., "Effect of Casting Solvent and Annealing Temperature on Recast Nafion Membranes for Vanadium Redox Flow Battery," J. Membr. Sci., 522, 56-67(2017). 

  11. Ma, C. H., Yu, T. L., Lin, H. L., Huang, Y. T., Chen, Y. L., Jeng, U. S., Lai, Y. H. and Sun, Y. S., "Morphology and Properties of Nafion Membranes Prepared by Solution Casting," Polymer, 50(7), 1764-1777(2009). 

  12. Yeo, R. S., "Dual Cohesive Energy Densities of Perfluorosulphonic Acid (Nafion) Membrane," Polymer, 21(4), 432-435(1980). 

  13. Wang, Z., Tang, H. L., Li, J. R., Zeng, Y., Chen, L. T. and Pan, M., "Insight Into the Structural Construction of a Perfluorosulfonic Acid Membrane Derived from a Polymeric Dispersion," J. Power Sources, 256, 383-393(2014). 

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  17. Ludvigsson, M., Lindgren, J. and Tegenfeldt, J., "Crystallinity in Cast Nafion," J. Electrochem. Soc., 147(4), 1303-1305(2000). 

  18. Wang, Z., Tang, H. L., Li, J. R., Zeng, Y., Chen, L. T. and Pan, M., "Insight Into the Structural Construction of a Perfluorosulfonic Acid Membrane Derived from a Polymeric Dispersion," J. Power Sources, 256, 383-393(2014). 

  19. Zhang, W. J., Kish, D. L. and Pintauro, P. N., "Morphology and Performance of Stretched PFSA for Direct Methanol Fuel Cells," ECS. Trans., 10, Pts 1 and 2, 33(1), 635-645(2010). 

  20. Baik, K. D., Hong, B. K. and Kim, M. S., "Effects of Operating Parameters on Hydrogen Crossover Rate Through Nafion (R) Membranes in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells," Renew. Energy, 57, 234-239(2013). 

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