[논문]고분자연료전지에 사용되는 e-PTFE 지지체의 펜톤반응 후 화학적 열화

오소형; 임대현; 이무석; 이동훈; 박권필

doi:10.9713/kcer.2020.58.4.536

고분자연료전지에 사용되는 e-PTFE 지지체의 펜톤반응 후 화학적 열화
Chemical Degradation of e-PTFE Support Used in PEMFC after Fenton Reaction 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.4, 2020년, pp.536 - 540

오소형 (순천대학교) , 임대현 (순천대학교) , 이무석 (코오롱인더스트(주) Eco연구소 중앙기술원) , 이동훈 (코오롱인더스트(주) Eco연구소 중앙기술원) , 박권필 (순천대학교)

초록
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고분자연료전지(PEMFC) 고분자막의 지지체는 기계적 내구성 향상에 핵심적인 역할을 한다. 지지체로 사용하는 e-PTFE는 화학적으로 안정하여 PEMFC 구동과정에서 전기화학적인 열화에 대해서는 거의 연구되지 않았다. 본 연구에서는 e-PTFE가 Fenton 반응과정에서 발생한 라디칼과 과산화수소에 화학적으로 안정한지 검토하였다. Fenton 반응 과정에서 e-PTFE의 주사슬이 끊어져 지지체의 화학적 구조와 형태 변화가 발생하였고, 그에 따라 인장 강도가 감소하였다. 실제 PEMFC 구동과정에서 고분자막 이오노머의 전기화학적 열화는 라디칼과 과산화수소에 의해서 고분자막 내부에서 발생하므로, e-PTFE 지지체의 셀 내에서 전기화학적 열화도 발생할 수 있음을 본 연구 결과가 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The support of the PEMFC membrane plays a key role in improving mechanical durability. The e-PTFE used as a support is chemically stable, so electro-chemical degradation in the PEMFC driving process has been rarely studied. In this study, we investigated whether e-PTFE is chemically stable to radicals and hydrogen peroxide during Fenton reaction. After the Fenton reaction, the main chain of e-PTFE broke, resulting in a change in the chemical structure and morphology of the support, resulting in a decrease in tensile strength. The results of this study showed that electrochemical degradation of the membrane ionomer in the PEMFC process occurs inside the membrane by radicals and hydrogen peroxide, so that electrochemical degradation may also occur at the e-PTFE support in the cell.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. SEM images of e-PTFE support a) before and after Fenton reaction at temperature of b) 60 °C c) 80 °C.
그림 Fig. 2. Change of FT-IR of e-PTFE support according to Fenton reaction time.
그림 Fig. 3. Variation of Fluoride ion amount as a function of Fenton reaction temperature.
그림 Fig. 4. Arrhenius plot of Fluoride ion emission rate during Fenton reaction.
그림 Fig. 5. Variation of Fluoride ion amount as a function of Fenton reaction time.
그림 Fig. 6. SEM images of e-PTFE support after Fenton reaction time of a) 3.0 hours b) 6.0 hours c) 9.0 hours.
그림 Fig. 7. Strain-stress curves of e-PTFE support before and after Fenton reaction.
그림 Fig. 8. Comparison of hot water swelling of e-PTFE support before and after Fenton reaction.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 라디칼/과산화수소에 의한 e-PTFE 지지체의 열화를 Fenton 반응에 의해 확인하고 화학적 열화에 따른 지지체의 기계적 강도 감소에 대해서 연구하였다.

제안 방법

BWS (Boiling Water Swelling)실험은 Fenton 반응 전후의 ePTFE 지지체를 100 ℃ 증류수에 10분간 넣은 후 길이를 측정하였다. 이후 데시게이터에 넣어 건조시키면서 10분마다 길이를 확인하였으며, 길이의 변화가 나타나지 않을 때까지 진행하였다.
열화전후 막의 화학적인 구조 변화 측정을 위해 ATR (attenuated total reflection)이 부착된 FT-IR (ABB Co, FTLA 2000)을 이용했다. Fenton 반응 전과 후의 e-PTFE 지지체 형태변화는 SEM (Scanning Electron Microscope, JSM-7100F, JEOL)을 이용하여 관찰하였으며 beam 전위는 15 kV였다.
0 cm로 3회 측정한 후 평균값을 얻었다. 불소이온농도는 일정시간 Fenton 반응한 후 Fenton 용액을 채취하여 TISAB (Total Ionic Strength Adjuster Buffer)용액과 1:1 비율로 혼합한 후 ISE Meter (Ion Selective Electrode Meter, PH-250L, ISTEK, Inc.)로 분석하였다.
열화전후 막의 화학적인 구조 변화 측정을 위해 ATR (attenuated total reflection)이 부착된 FT-IR (ABB Co, FTLA 2000)을 이용했다. Fenton 반응 전과 후의 e-PTFE 지지체 형태변화는 SEM (Scanning Electron Microscope, JSM-7100F, JEOL)을 이용하여 관찰하였으며 beam 전위는 15 kV였다.

대상 데이터

Fenton 용액은 과산화수소(30% H2O2 in H2O, Aldrich)에 황산제일철(FeSO4·7H2O, ≥99%, Aldrich)을 첨가하여 제조하였다.
실험에 사용한 e-PTFE 지지체(Donaldson,USA)는 10 μm 두께였고, 지지체가 Fenton 용액과 균일하게 접촉할 수 있게 고정틀에 지지체를 체결하고 용액을 교반하였다.

데이터처리

인장강도는 Texture Analyzer (TAXTplus, Stable Micro System, UK)를 이용하였으며, 시편 크기는 1.0 × 2.0 cm로 3회 측정한 후 평균값을 얻었다.

성능/효과

8 kJ/mol 이었다. 80 ℃에서 3시간 펜톤반응에 의해 지지체의 항복강도가 16% 감소함으로써, e-PTFE의 화학적 열화가 지지체의 기계적 강도를 감소시킴을 확인하였다.
PEMFC 셀 구동과정에서도 e-PTFE 지지체가 라디칼과 과산화수소에 의해 화학적으로 열화되어, 지지체의 주 역할인 기계적 내구성 유지에도 손상을 입을 수 있음을 보였다.
4 kJ/mol과 비교했을 때 낮은 값을 보였다[24]. 열화시킨 고분자는 PTFE, PFSA로 다르고 펜톤반응은 같은 조건에서 실험해서 얻은 결과인데, 활성화에너지에 차이가 있는 것은 라디칼 발생속도보다는 라디칼에 의해 고분자가 열화되는 속도가 더 영향을 준 결과라고 본다. e-PTFE 지지체의 라디칼에 의한 열화 속도가 PFSA이오노머 열화 속도보다 온도 의존성이 더 작음을 보인 것이다.
PEMFC의 과불소슬폰산(PFSA) 이오노머가 구동과정에서 라디칼 공격에 의해 주사슬의 CF₂가 끊어지듯이[24], 펜톤반응에서 라디칼에 의해 지지체 PTFE 의 CF₂결합이 화학적으로 열화됨을 확인한 것이다. 즉 PEMFC의 구동조건에서 지지체 e-PTFE도 발생하는 라디칼에 의해 전기화학적으로 열화될 수 있음을 나타냈다. 막 중에 용해/석출된 Pt에서 라디칼이 발생할 수 있기 때문에[23], 이오노머의 중앙에 있는 지지체를 라디칼이 바로 가까이에서 공격할 수 있어서 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PEMFC의 핵심 요소인 고분자 막은 어떤 역할을 하는가?	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. PEMFC의 고분자막의 연구개발 동향은 고분자막의 두께를 얇게 하고 내구성을 향상시키는 방향으로 진행되고 있다.
	PEMFC에 사용되는 고분자막 e-PTFE지지체의 화학적 내구성을 파악하기 위해 펜톤반응 실험 결과, 펜톤 용액 중 불소이온 농도 증가의 원인은?	펜톤반응에 의해 e-PTFE의 주사슬인 CF2 결합이 분해되어 펜톤 용액 중의 불소이온 농도가 증가하였다. 지지체의 화학적 구조변화는 형태변화를 동반해 지지체 매트릭스 선이 끊어지고 굵어져 큰 마디가 형성되는 등 변형이 많았다.
	얇은 고분자막의 장점은?	PEMFC의 고분자막의 연구개발 동향은 고분자막의 두께를 얇게 하고 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 효과가 있다. 고분자막이 얇아지면 성능이 향상되지만 내구성이 감소하는 문제점이 있어 내구성을 향상시키려는 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

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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].

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