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수전해용 이오노머 분자동역학 모델 개발
Development of Molecular Dynamics Model for Water Electrolysis Ionomer 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.30 no.6, 2020년, pp.433 - 442  

강호성 (경남과학기술대학교(GNTECH) 에너지공학과) ,  박치훈 (경남과학기술대학교(GNTECH) 에너지공학과) ,  이창현 (단국대학교 에너지공학과)

초록
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본 연구에서는 수전해용 ionomer의 분자동역학 전산모사 모델 제작을 위하여, 과량의 물 분자가 존재하는 수전해 시스템의 특성을 반영한 ionomer 모델을 제작한 후, 기존 연료전지용 전해질막 전산모사 조건에 맞춰 제작한 ionomer 모델과 비교하였다. 최종적으로 얻어진 모델은 과불소계 ionomer의 중요 특징 중 하나인 명확한 상분리 및 수화채널이 관찰되었으며, 과량의 물 및 높은 운전 온도 조건에서도 물에 녹지 않고 안정된 구조를 나타내었다. 제조된 ionomer 모델에서는 과량의 물분자로 인한 이온 희석 효과로 이온 전달 성능 감소가 나타났으며, 반대로 수소 기체의 투과는 더 증가할 것으로 분석되었다. 따라서 이러한 수전해 시스템의 특성을 반영한 수전해용 ionomer 분자 구조 설계 전략이 필요하고, 분자동역학 전산모사 연구 시에도 이를 감안한 수전해용 ionomer 모델 제작이 필요하다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, in order to build a molecular dynamics simulation model of ionomer for water electrolysis, an ionomer model that reflects the characteristics of a water electrolysis system in which excess water molecules exist was compared to an ionomer built according to the conventional simulation ...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 이러한 수전해 이오노머의 특성들을 고려하여, 함수율을 기준으로 한 MD 모델에 추가하여 과량의 물 분자가 도입된 MD 모델을 제작하여 각각의 특성을 분석하고자 하였다. 또한, 상대적으로 낮은 분자량의 주쇄를 사용하여 용해 및 함 침을 용이하게 할 수 있도록 설계되는 함침용 이오노머와 고체 전해질로서의 강도를 유지해야하기 때문에 상대적으로 높은 분자량으로 설계되는 MEA 타입 수 전해 시스템용 이오노머의 특징을 반영하기 위하여, 분자량을 조절하여 각각의 사용방법에 따른 MD 모델을 제작할 수 있는 방법을 제시하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 수전해용 ionomer의 분자동역학 전산모사를 위한 모델 제작에 관한 연구를 진행하였다. 기존 연료전지용 전해질막 전산모사 조건에 맞춰 25 wt% 의 함수율 조건의 ionomer 모델을 제작하였으며, 추가로 과량의 물 분자가 존재하는 수전해 시스템의 특성을 반영한 100 wt% 함수율 조건의 ionomer 모델을 제작하여 서로 비교하였다.
  • 추가적으로 앞서 기술한 바와 같이, 수전해 시스템에서는 수소의 투과를 막는 것이 매우 중요하기 때문에 이온전도도 뿐만 아니라 수소 투과특성 분석 또한 함께 진행되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 수전해 이오노머의 특성들을 고려하여, 함수율을 기준으로 한 MD 모델에 추가하여 과량의 물 분자가 도입된 MD 모델을 제작하여 각각의 특성을 분석하고자 하였다. 또한, 상대적으로 낮은 분자량의 주쇄를 사용하여 용해 및 함 침을 용이하게 할 수 있도록 설계되는 함침용 이오노머와 고체 전해질로서의 강도를 유지해야하기 때문에 상대적으로 높은 분자량으로 설계되는 MEA 타입 수 전해 시스템용 이오노머의 특징을 반영하기 위하여, 분자량을 조절하여 각각의 사용방법에 따른 MD 모델을 제작할 수 있는 방법을 제시하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 이렇게 수전해 시스템에서 활용되고 있는 이오노머의 구조-특성 상관관계를 규명하기 위한 분자 동역학(molecular dynamics; MD) 전산모사 연구를 진행하였다. 특히, 현재까지 대부분의 이오노머 관련 전산모사 연구가 연료전지용 전해질막에 초점을 맞추어 진행되었기 때문에, 함수율에 맞춰 모델을 생성하여 이오노머 내부의 수화채널 및 이온전도도 등을 분석하는 방식으로 연구가 수행되었다[11-13].
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