[논문]PEMFC 고분자막의 화학적 내구성 평가를 위한 Fenton 반응 조건에 관한 연구

오소형; 박지상; 정성기; 정지홍; 박권필

doi:10.9713/kcer.2021.59.1.49

PEMFC 고분자막의 화학적 내구성 평가를 위한 Fenton 반응 조건에 관한 연구
Study on the Fenton Reaction Condition for Evaluation of Chemical Durability of PEMFC Membrane 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.59 no.1, 2021년, pp.49 - 53

오소형 (순천대학교 화학공학과) , 박지상 (순천대학교 화학공학과) , 정성기 (순천대학교 화학공학과) , 정지홍 ((주)상아프론테크) , 박권필 (순천대학교 화학공학과)

초록
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고분자 연료전지(PEMFC) 고분자막의 화학적 내구성을 평가하는데 Fenton 반응이 자주 사용된다. 그러나 과산화수소와 철 이온의 격렬한 반응 때문에 재현성이 낮아 실험 데이터를 비교하기가 어려운 문제점이 있다. 본 연구에서는 Fenton 반응에 의한 고분자막 내구성 실험의 재현성을 향상시키기 위한 반응조건을 찾고자 하였다. 과산화수소 농도는 30%로 고정시키고 철이온 농도와 온도, 교반속도, 시료크기를 변화시키며 라디칼에 열화된 Nafion 고분자막의 불소이온 농도를 측정했다. 철이온 농도를 높게하거나 고분자막 시료 크기를 크게하고, Fenton 반응 온도를 80 ℃로 높게하면 실험편차가 커져서 철이온 농도 10 ppm, 온도 70 ℃와 시료크기 0.5 ㎠가 적합하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Fenton reaction is often used to evaluate the chemical durability of polymer membranes of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC). However, due to the violent reaction between hydrogen peroxide and iron ions, it is difficult to compare experimental data because of low reproducibility. In this study, we tried to find the reaction conditions to improve the reproducibility of the durability test of the membrane by the Fenton reaction. The hydrogen peroxide concentration was fixed at 30%, the iron ion concentration, temperature, stirring speed, and sample size were varied, and the fluorine ion concentration of the Nafion polymer membrane deteriorated by radicals was measured. When the iron ion concentration was increased or the membrane sample size was increased, and the reaction temperature was increased to 80 ℃, the experimental deviation increased, so an iron ion concentration of 10 ppm, a temperature of 70 ℃, and a sample size of 0.5 ㎠ were suitable.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Variation of Fluor ion moles in Fenton solution according to Fe ion concentration after Fenton reaction.
그림 Fig. 2. Change of FT-IR of membrane before and after Fenton reaction at 70 ºC, Fe ion 10 ppm, sample area 0.5 cm² and 400 rpm.
그림 Fig. 3. Variation of Fluor ion moles according to membrane sur-face area after Fenton reaction.
그림 Fig. 4. SEM images of membrane surface according to membrane area after Fenton reaction (a) 0.25 cm² (b) 0.5 cm² (c) 1.0 cm² (d) 2.25 cm².
그림 Fig. 5. Variation of Fluor ion moles according to rotation rate of magnetic bar after Fenton reaction.
그림 Fig. 6. Variation of Fluor ion moles according to reaction tempera-ture after Fenton reaction.
그림 Fig. 7. Arrhenius plot of Fenton reaction at 180 min, Fe ion 10 ppm, sample area 0.5 cm² and 400 rpm.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 PEMFC 고분자막의 화학적 내구성 평가를 위한 Fenton 반응 실험시 재현성 향상을 위해서 Fenton 반응에 영향을 주는 실험 조건들을 상세하게 연구함으로써 최적 실험 조건을 찾고자 하였다.

제안 방법

Fenton 반응 후의 고분자막 표면 변화는 SEM (Scanning Electron Microscope, JSM-7100F, JEOL)을 이용하여 관찰하였으며 beam의 전위는 12 kV였다.
Fenton 반응은 3시간 진행하였으며 용액을 채취하여 불소 이온 농도를 TISAB (Total Ionic Strength Adjuster Buffer) 용액과 1:1 비율로 혼합한 후 ISE Meter (Ion Selective Electrode Meter, PH-250L, ISTEK, Inc.)로 분석하였다.
과산화수소 농도는 30%로 고정시키고 철이온 농도와 온도, 교반 속도, 시료크기를 변화시키며 라디칼에 열화된 Nafion의 불소 이온 농도를 측정했다. 일반적인 반응처럼 반응물의 농도와 온도가 상승하면서 Nafion 열화속도도 증가하였다.
열화 전후 고분자막의 화학적인 구조 변화 측정을 위해 ATR (Attenuated Total Reflection)이 부착된 FT-IR (ABB Co, FTLA 2000)을이용했다. Fenton 반응 후의 고분자막 표면 변화는 SEM (Scanning Electron Microscope, JSM-7100F, JEOL)을 이용하여 관찰하였으며 beam의 전위는 12 kV였다.

대상 데이터

진행했다. Fenton 용액은 과산화수소(30% H₂O₂ in H₂O, Aldrich)에 황산제일철(FeSO₄·7H₂O, ≥99%, Aldrich)을 첨가하여 제조하였다. 실험에 사용한 고분자막은 Nafion 211막을 사용하였고, 고분자막이 접히지 않고 Fenton 용액과 모든 면에서 접촉할 수 있게 작은 크기(0.
Fenton 용액은 과산화수소(30% H₂O₂ in H₂O, Aldrich)에 황산제일철(FeSO₄·7H₂O, ≥99%, Aldrich)을 첨가하여 제조하였다. 실험에 사용한 고분자막은 Nafion 211막을 사용하였고, 고분자막이 접히지 않고 Fenton 용액과 모든 면에서 접촉할 수 있게 작은 크기(0.25~0.4 cm²)의 정사각형으로 절단해 사용했다. 고분자막 시료가 Fenton 용액과 균일하게 접촉할 수 있게 마그네틱 바(5.

성능/효과

25, 40 ppm에서는 반응속도가 빨라 온도제어가 어려운 점이 실험 편차를 크게 하였다. 5.0 ppme 열화속도가 너무 낮아 10 ppm이 적합함을 보이고 있다.
반응온도가 80^oC까지 올라가면 반응속도가 급상승하여 발열반응의 온도제어가 쉽지 않아 온도편차가 심하고, 거품 발생도 급증해 용액과 시편의 접촉에도 불규칙성이 심해져 실험결과가 편차가 심해졌다. 70^oC와 80^oC는 10^oC 차이지만 고분자막 열화속도가 2배 이상 차이가 나고 실험 편차도 2배 정도 되어 보다 안정적인 70^oC가 Fenton 반응온도로 적합하다고 판단된다.
3 kJ/mol 이었다. 그리고 교반속도를 증가시키고 시료 크기를 작게하여 펜톤 용액과 고분자막 시료의 접촉을 증가시킬수록 열화속도가 증가하는 경향을 보였다. 철이온 농도를 높게 하거나 고분자막 시료 크기를 크게하고, Fenton 반응 온도를 80^oC로높게하면 실험편차가 커서 철이온 농도 10 ppm, 온도 70^oC와 시료 크기 0.
그리고 교반속도를 증가시키고 시료 크기를 작게하여 펜톤 용액과 고분자막 시료의 접촉을 증가시킬수록 열화속도가 증가하는 경향을 보였다. 철이온 농도를 높게 하거나 고분자막 시료 크기를 크게하고, Fenton 반응 온도를 80^oC로높게하면 실험편차가 커서 철이온 농도 10 ppm, 온도 70^oC와 시료 크기 0.5 cm²가 적합하였다. 이 조건에서 교반속도는 400 rpm으로 3시간 Fenton 반응 후 불소이온 농도 4.

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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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