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고분자전해질 연료전지의 MEA 제조방법에 따른 성능비교
The effect of MEA fabrication procedure on PEMFC performance 원문보기

한국신재생에너지학회 2005년도 춘계학술대회, 2005 June 01, 2005년, pp.291 - 295  

조용훈 (서울대학교 화학생물공학부) ,  조윤환 (서울대학교 화학생물공학부) ,  박인수 (서울대학교 화학생물공학부) ,  최백범 (서울대학교 화학생물공학부) ,  정대식 (서울대학교 화학생물공학부) ,  성영은 (서울대학교 화학생물공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The PEMFC behavior is quite complex and is influenced by several factors, including composition and structure of electrodes and membrane type. Fabrication of MFA is important factor for proton exchange membrane fuel cell. MFA of PEMFC with hot pressing and direct coating method were prepared, and pe...

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제안 방법

  • Impedance spectroscopy를 사용하여 각각의 MEA 저항을 비교하였으며, SEM(Scanning Electron Microscopy)를 통하여 MEA의 구조를 비교하였다.
  • 가열압착법을 이용하여 MEA를 제조하기 위하여 제조된 촉매슬러리를 30 ㎚ 크기의 입자를 갖는 탄소 블랙의 미세분말 (Vulcan XC-72)과 Teflon 용액으로 만들어진 상용 기체확산층(Gas Diffusion Layer, E-TEK)위에 스프레이를 이용하여 분사하고 그 위에 다시 Ionomer를 도포하여 전극을 제조하였다. 제조된 전극과 전극 사이에 전처리 과정을 한 고분자막을 넣고 120℃에서 3분 동안 70 atm의 압력으로 가열압착해서 MEA를 만들었다.
  • 평가해 보았다. 그리고 Impedance Spectroscopy로 MEA의 계면저항을 측정하여 비교했으며, SEM 사진을 통하여 MEA구조를 분석 할 수 있었다. 위와 같은 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 하였다. 단위전지의 유로 면적은 전극의 면적과 동일한 5 ㎝2 이며 성능 측정을 위하여 전류 부하기를 이용하여 전지의 전압과 전류를 측정하였다. 전체적인 성능 평가 시스템의 구성은 Fig.
  • 두 가지 MEA 제조방법, 가열압착법과 직코팅법이 고분자 연료전지 성능에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위하여 각각의 방법으로 MEA를 제조한 후 연료전지 성능 평가 장치로 단위전지성능을 평가해 보았다. 그리고 Impedance Spectroscopy로 MEA의 계면저항을 측정하여 비교했으며, SEM 사진을 통하여 MEA구조를 분석 할 수 있었다.
  • 본 연구는 가열압착법과 직접코팅법을 이용하여 각각 MEA 를 제조한 후 SEMCScanning Electron Microscopy)을 통해 구조를 확인하고 Impedance spectroscopy를 통해 계면저항을 비교하였으며, 연료전지 성능 평가 장치를 이용하여 각각의 단위전지 성능을 평가했다.
  • 분산제에 일정한 무게 비율로 Fig. 2처럼 촉매와 Ionomer를 혼합해서 촉매 슬러리를 제조 하였으며 슬러리 내 촉매의 고른 분산을 위해 각 단계별로 초음파처리를 하였다.
  • 촉매슬러리를 효과적으로 고분자막에 도포하기 위하여 50℃의 핫플레이트 위에서 분사했다. 양면에 촉매가 도포된 고분자막을 두개의 기체확산층 사이에 넣고 MEA를 만들었다.
  • 해당하고 low frequency 영역은 고분자막-전극 계면저항에 해당된다. 이로부터 고분자전해질 연료전지 운전 시 전해질에 의한 내부저항과 산소환원 반응에 의한 고분자막-전극 계면에서의 저항을 측정하고 비교할 수 있었다. 즉, 가열압착에 의한 고분자막의 저항, 고분자막 -전극 계면저항의 변화를, 가열압착 공정을 하지 않은 직접코팅법으로 제조한 MEA와 비교할 수 있다.
  • 3과 같다. 전지의 운전조건은 산화극과 환원극 각각 수소와 산소를 양론비 1.5/2.0으로 공급하였으며, 단위전지 온도는 65℃로 유지 산화극과 환원 극은 각각 70℃와 75℃의 온도 가습을 유지하고, 작동 압력은 상압으로 하였다.(5)
  • 제조된 MEA의 성능을 비교하기 위해서 MEA를 단위 전지에 장착하고 동일한 압력으로 체결 하였다. 단위전지의 유로 면적은 전극의 면적과 동일한 5 ㎝2 이며 성능 측정을 위하여 전류 부하기를 이용하여 전지의 전압과 전류를 측정하였다.
  • 제조하였다. 제조된 전극과 전극 사이에 전처리 과정을 한 고분자막을 넣고 120℃에서 3분 동안 70 atm의 압력으로 가열압착해서 MEA를 만들었다.
  • 직접코팅법을 이용하여 MEA를 제조하기 위해 제조된 촉매슬러리를 전처리 과정을 한 Nation 112 양쪽 면에 스프레이를 이용하여 직접 도포하였다. 촉매슬러리를 효과적으로 고분자막에 도포하기 위하여 50℃의 핫플레이트 위에서 분사했다.

대상 데이터

  • 촉매로는 미세한 탄소 입자(Vulcan XC)에 백금이 분산된 Pt/C(E-TEK)를 사용하였으며, Ionomer 로는 5% Nafion solution (Dupont), 분산제로는 IPA(Isopropyl alcohol)과 초순수를 사용하였다.

이론/모형

  • Fig. 4 는 MEA제조 방법에 따른 MEA의 저항을 임피던스 분석을 수행하여 비교하였으며, 저항과 전압 영역인 0.5 V의 정전위, 주파수 15000 ~ 10 Hz 범위에서 임피던스 값을 실수부 및 허수부로 나타내는 Nyquist 도시법을 사용했다. 일반적으로 high frequency 영역의 임피던스 값은 고분자막 저항에.
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