[논문]고분자전해질 연료전지 고분자막의 특성 및 성능 비교

이대웅; 오소형; 임대현; 정회범; 유승을; 구영모; 박권필

doi:10.9713/kcer.2020.58.2.171

고분자전해질 연료전지 고분자막의 특성 및 성능 비교
Comparison of Characteristics and Performance of Membrane in Proton Exchange Membrane Fuel Cells 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.2, 2020년, pp.171 - 175

이대웅 (순천대학교 화학공학화) , 오소형 (순천대학교 화학공학화) , 임대현 (순천대학교 화학공학화) , 정회범 (순천대학교 화학공학화) , 유승을 (한국자동차연구원) , 구영모 (한국자동차연구원) , 박권필 (순천대학교 화학공학화)

초록
AI-Helper

고분자전해질 연료전지(PEMFC)에서 지지체에 의해 내구성을 향상시킨 강화막(Reinforced Membrane)의 개발이 국내에서 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 4 종류의 강화막의 초기 성능 및 특성을 비교하였다. 고분자막의 C-F사슬의 양이 더 많은 강화막이 C-F사슬의 소수성 때문에 물 확산계수가 더 작음을 보였다. 고분자막 두께가 두꺼울수록 수소투과도가 감소하고 OCV가 증가함을 확인하였다. Short 저항이 1.5 Ωcm² 이하인 막은 OCV가 0.9 V이하이고 성능도 최저여서 Short 저항이 3.0 Ωcm² 이상이어야 함을 보였다. 현재 기준이 되는 국외 막과 비교했을 때 비슷한 국내 막도 있어서 PEMFC 고분자막의 국산화 가능성을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), the development of a reinforced membrane with improved durability by a support is actively in progress in Korea. In this study, the initial performance and characteristics of four types of reinforced membranes were compared. Reinforced membranes with higher amounts of C-F chains in the polymer membrane showed lower water diffusion coefficients due to the hydrophobicity of the C-F chains. The thicker the polymer membrane, the more the hydrogen permeability decreased and the higher the OCV. Membrane with short resistance below 1.5 Ωcm2 showed OCV below 0.9 V and the lowest performance, so short resistance should be above 3.0 Ωcm2. Compared with the current standard membrane, there was a similar domestic membrane, which could confirm the possibility of localization of PEMFC polymer membrane.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig.1. Comparison of FT-IR of various membranes for PEMFC.
그림 Fig. 2. Comparison of impedance of various membranes and electrode assembly for PEMFC.
그림 Fig. 3. Comparison of linear sweep voltammetry of various membranes for PEMFC.
표 Table 1. Characteristics of reinforced membranes in PEMFC MEA
그림 Fig. 4. Comparison of water flux through various membranes for PEMFC.
그림 Fig. 5. Comparison of water diffusion coefficient through various membranes for PEMFC.
그림 Fig. 6. Comparison of cyclo-voltammetry of various membranes and electrode assembly for PEMFC.
그림 Fig. 7. Comparison of I-V curves of various membranes and electrode assembly for PEMFC.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 국내기업들이 연구개발 중인, 지지체와 라디칼 제거제가 들어간 강화막들과 일반적으로 많이 사용되고 있는 국외 막의 초기 특성을 비교 검토하여, 국내 막의 상용화 가능성을 파악하고자 하였다.

제안 방법

수소투과 전류밀도(HCCD)는 Potentiostat (Solatron, SI 1287)을이용한 LSV (Linear sweep voltammetry)방법으로 측정해 비교하 였다. LSV는 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소 (200 ml/min)를 공급하고, scan rate 1 mV/sec로 0~0.4 V 범위에서 전압을 변화시키면서 전류를 측정하였다[13]. 전극활성면적(ECSA, Electrochemical surface area)은 Potentiostat을 이용한 CV (Cyclic voltammetry)방법으로 측정하였다.
셀의 온도, 유량, 상대 습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다. MEA (Membrane and Electrode Assembly)를 활성화 시키고 일반 적인 PEMFC 구동조건(70 o C, 100%RH, anode 1.5 stoi. cathode 2.0 stoi.)에서 I-V 성능 곡선을 측정하였다.
PEMFC용 고분자 전해질막의 특성을 4종류의 국내외 고분자막 으로 비교 실험하여 다음과 같이 정리하였다.
본 실험에 사용된 고분자전해질 막들은 e-PTFE지지체가 들어간 불소계 이오노머 막으로 국내외에서 4종류를 구입해 동일한 조건 으로 막전극접합체(Membrane and Electrode Assembly, MEA)를제조해서, PEMFC 셀에 체결해 특성들을 비교하였다. 고분자 전해질 막 양면에 데칼 방법에 의해 Pt/C 전극 입자를 코팅해 anode와 cathode 모두 Pt 함량 0.4 mg/cm² 인 MEA를 제조하였다. 전극면적이 25 cm² 인 MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)을셀에 80토크로 체결하였다.
본 실험에 사용된 고분자전해질 막들은 e-PTFE지지체가 들어간 불소계 이오노머 막으로 국내외에서 4종류를 구입해 동일한 조건 으로 막전극접합체(Membrane and Electrode Assembly, MEA)를제조해서, PEMFC 셀에 체결해 특성들을 비교하였다. 고분자 전해질 막 양면에 데칼 방법에 의해 Pt/C 전극 입자를 코팅해 anode와 cathode 모두 Pt 함량 0.
7%인 분리판을 사용했다. 셀의 온도, 유량, 상대 습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다. MEA (Membrane and Electrode Assembly)를 활성화 시키고 일반 적인 PEMFC 구동조건(70 o C, 100%RH, anode 1.
수소투과 전류밀도(HCCD)는 Potentiostat (Solatron, SI 1287)을이용한 LSV (Linear sweep voltammetry)방법으로 측정해 비교하 였다. LSV는 anode와 cathode에 각각 수소(40 ml/min)와 질소 (200 ml/min)를 공급하고, scan rate 1 mV/sec로 0~0.
이오노머의 화학적인 구조를 비교하기 위해 ATR (attenuated total reflection)이 부착된 FT-IR (ABB Co, FTLA 2000)을 이용했다.
막 저항 및 부하전달 저항은 Impedance analyser (Solatron, SI 1287)를 이용해 측정하였다. 임피던스 측정은 anode와 cathode에각각 수소(93 ml/min)와 공기(296 ml/min)를 공급하고, DC current 1A, AC amplitude 100 mA, frequency 100,000 Hz~0.1 Hz 범위에서 측정하였다.

대상 데이터

전극면적이 25 cm² 인 MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)을셀에 80토크로 체결하였다. 셀을 구성하는 분리판(separator)의 유로 면적비가 기체의 막 투과도에 영향을 줄 수 있는데, 본 실험에서는 유로 면적이 66.7%인 분리판을 사용했다. 셀의 온도, 유량, 상대 습도(RH) 등을 Station (CNL Energy Co, Korea)으로 제어하였다.
4 mg/cm² 인 MEA를 제조하였다. 전극면적이 25 cm² 인 MEA와 GDL (Gas Diffusion Layer, SGL 10BC)을셀에 80토크로 체결하였다. 셀을 구성하는 분리판(separator)의 유로 면적비가 기체의 막 투과도에 영향을 줄 수 있는데, 본 실험에서는 유로 면적이 66.

이론/모형

막 저항 및 부하전달 저항은 Impedance analyser (Solatron, SI 1287)를 이용해 측정하였다. 임피던스 측정은 anode와 cathode에각각 수소(93 ml/min)와 공기(296 ml/min)를 공급하고, DC current 1A, AC amplitude 100 mA, frequency 100,000 Hz~0.
4 V 범위에서 전압을 변화시키면서 전류를 측정하였다[13]. 전극활성면적(ECSA, Electrochemical surface area)은 Potentiostat을 이용한 CV (Cyclic voltammetry)방법으로 측정하였다. CV는 LSV와 동일하게 가스를 주입하고, Scan rate 30 mV/sec로 전압을 변화시키면서 전류를 측정하는데, 14cycle 후 측정한 값을 택했다.

성능/효과

(1) 다른 막에 비해 C-F피크가 제일 큰 막이 C-F의 소수성에 의해 물 확산 계수와 Water flux가 제일 작았다.
(2) 고분자 막의 이온전도도는 전체 막 두께뿐만 아니라 지지체두께와 지지체 내에 이오노머의 충진 등에도 영향을 받음을 보였다.
(3) 수소투과도는 고분자막의 두께에 반비례하였으며 수소투과 도가 높으면 OCV가 감소함을 확인하였다.
(4) short 저항이 작은 고분자막은 OCV와 성능이 모두 낮았다.
(6) 고분자막의 두께가 두꺼운 막은 수소투과도가 낮아 OCV는높지만 막 저항 값이 높아 I-V 성능은 낮았다.
(7) 국내외 고분자막의 초기 특성과 성능을 비교 검토한 결과, 국내 막과 상용제품인 국외 막을 비교해 뒤떨어지지 않는 고분자막이 있어 국산화가 가능함을 확인했다.
B막과 C막의 FT-IR은 일치해 같은 이오노머를 사용한 막이라고 할 수 있다. 슬폰산기 SO (stretching symmetric)인 1,057 cm^-1의크기는 4종류 모두 거의 동일해서 슬폰산 당량(EW, Equivalent weight) 값이 거의 동일하게 되고, 동일한 두께라면 이온전도도가 비슷한 값을 갖음을 보였다. 982 cm^-1 에서 C-F 피크의 차이가 큰데 A막이 다른 막들에 비해 더 많은 C-F를 갖는 이오노머를 사용한 것으로 파악된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	얇은 고분자막의 장점은 무엇인가?	PEMFC의 고분자막의 연구개발 동향은 고분자막의 두께를 얇게하고 내구성을 향상시키는 방향으로 진행되고 있다. 얇은 고분자막의 장점은 고가인 불소계 이오노머양의 감소에 따른 가격 감소의 효과가 있고, 이온전도도 증가에 의한 성능을 향상시키고, 스택 부피를 감소시켜 출력밀도를 높이는 효과 때문이다. 고분자막이 얇아 지면 성능이 향상되지만 내구성이 감소하는 문제점이 있어 내구성을 향상시키려는 연구개발이 활발히 진행되고 있다.
	PEMFC의 핵심 요소인 고분자 막의 역할은 무엇인가?	최근에 국내외에서 수소에너지 시대를 맞이하여 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 실용화 및 시장 확대에 박차를 가하고 있다 [1-5]. PEMFC의 핵심 요소인 고분자 막은 이온전도체, 양쪽 전극의 가스 차단, 양쪽 전극 간 직접 전자이동 저지 등의 역할을 한다.
	전해질 막의 열화중 기계적 열화란 무엇인가?	PEMFC의 고분자막의 연구개발 동향은 고분자막의 두께를 얇게하고 내구성을 향상시키는 방향으로 진행되고 있다. 얇은 고분자막의 장점은 고가인 불소계 이오노머양의 감소에 따른 가격 감소의 효과가 있고, 이온전도도 증가에 의한 성능을 향상시키고, 스택 부피를 감소시켜 출력밀도를 높이는 효과 때문이다. 고분자막이 얇아 지면 성능이 향상되지만 내구성이 감소하는 문제점이 있어 내구성을 향상시키려는 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (15)

Wang, G., Yu, Y., Liu, H., Gong, C., Wen, S., Wang, X. and Tu, Z., "Progress on Design and Development of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Systems for Vehicle Applications: A Review," Fuel Processing Technology, 179, 203-228(2018).

상세보기
Department of Energy, https://wwwenergygov/(2016).
New Energy and Industrial Technology Development Organization, http://wwwnedogojp/english/indexhtml(2016).
Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform in the European Union, www.HFPeurope.org(2016).
Ministry of Science and Technology of the People's Republic of China, http://wwwmostgovcn/eng(2016).
Jahnke, T., Futter, G., Latz, A., Malkow, T., G. Papakonstantinou, G., Tsotridis, P., Schott, M., Gerard, M., Quinaud, M., Quiroga, A. and Franco, A., "Performance and Degradation of Proton Exchange Membrane Fuel Cells: State of the art in Modeling from Atomistic to System Scale," Journal of Power Sources, 304, 207-233 (2016).

상세보기
Wilkinson, D. P. and St-Pierre, J., in: W. Vielstich, H. A. Gasteiger. A. Lamm (Eds.). Handbook of Fuel Cell: Fundamentals Tech nology and Applications, Vol. 3, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, England, 611-612(2003).
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, 1831-1877(2006).

상세보기
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).

상세보기
Gore Enterprise Holdings, Inc, "Ion Conducting Membrane Having High Hardness And Dimensional Stability," PCT/US2002/027338.
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).

상세보기
Frank, D. C., Han, L. and Jeanette, E. O., Mitigation of Perfluorosulfonic Acid Membrane Chemical Degradation Using Cerium and Manganese Ions, ECS Transactions, 16(2), 1735-1747(2008).
Hwang, B. C., Oh, S. H., Lee, M. S., Lee, D. H. and Park, K. P., "Decrease in Hydrogen Crossover through Membrane of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells at the Initial Stages of an Acceleration Stress Test," Korean J. Chem. Eng., 35(11), 2290-2295(2018).

상세보기
Oh, S. H., Hwang, B. C., Lee, M. S., Lee, D. H. and Park, K. P., "Comparison of Hydrogen Crossover Current Density by Analysis Method of Linear Sweep Voltammetry (LSV) in Proton Exchange Membrane Fuel Cells," Korean Chem. Eng. Res., 56(2), 151-155 (2018).

원문보기 상세보기
Lee, D. W., Hwang, B. C., Lim, D. H., Chung, H. B., You, S. E., Ku, Y. M. and Park, K. P., "Transport of Water through Polymer Membrane in Proton Exchange Membrane Fuel Cells," Korean Chem. Eng. Res., 57(3), 338-343(2019).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증