초록 ▼

연료전지 성능을 결정하는 비 불소계 고분자 전해질막에 대한 연구와 보분자막/전극 접합체(MEA, membrane electrode assembly)제조에 있어 촉매와 전해질, 전극의 접착 향상을 위해 나노미터 크기의 전해질인 -COOH surface group을 가지는 G1.5와 G3.5 PAMAM dendrimer를 촉매층 내에 함침시켜 MEA를 제조하고 그에 따른 연료 전지 성능 측정과 여려 가지 전기화학적 분석을 수행하였다.
<비불소계 고분자 전해질막>
- 가격이 저렴한 styrene-butadiene

연료전지 성능을 결정하는 비 불소계 고분자 전해질막에 대한 연구와 보분자막/전극 접합체(MEA, membrane electrode assembly)제조에 있어 촉매와 전해질, 전극의 접착 향상을 위해 나노미터 크기의 전해질인 -COOH surface group을 가지는 G1.5와 G3.5 PAMAM dendrimer를 촉매층 내에 함침시켜 MEA를 제조하고 그에 따른 연료 전지 성능 측정과 여려 가지 전기화학적 분석을 수행하였다.
<비불소계 고분자 전해질막>
- 가격이 저렴한 styrene-butadiene styrene triblock 고분자를 선정하여 UV 조사에 의해 화학적으로 crosslinkage를 시켰다.
- 화학적으로 crosslinkag된 필름형태의 고분자를 toluene에 팽윤시켜, 고체상태에서 이온 전도도기를 도입한다.
- 이온 전도도기는 SO3HRL로 선정
- 이온전도도기의 양의 변화에 따른 이온전도성 측정
- 이온전도도기의 양에 따른 MeOH(10 wt%) 투과 특성 측정]
- 막의 구조(TEM으로 측정)
- 비불소계 고분자 막의 특성
- 본 연구에서 얻어진 막은, 이온 전도도가 1차년도 연구목표의 0.01 S/㎝의 2배의 값을 갖고 있으면서도, 메탄올 투과도가 10배나 낮은 막을 얻을 수 있었다

- 전극 사이에 고분자 전해질막을 넣고, 열압착으로 제조되는 것을 이온전해질막/전극접합체 (MEA)라고 한다.
- 전극과 막과의 접촉이 좋아야 연료전지의 성능이 높아진다.
- 전극은 전기화학적 반응이 잘 진행되도록 다공성 탄소지(karbon paper) 위에 Pt 촉매 단독, 또는 탄소입자에 붙은 Pt촉매를 분산시켜 제조한다.
- 이때 촉매와 막과의 접촉을 향상시키기 위해 나피온 용액을 분산시킨다.
- 탄소 전극과 고분자 전해질막을 열을 가해주면서 높은 압력으로 접착을 시켜준다.
- 본 연구에서 제조된 MEA
- 전극과 촉매의 접촉을 크게 하기 이해, 탄소, 입자의 구멍 크기 속으로 들어갈 수 있는 이오노머를 선정하였다.
- BET를 이용해 사용한 Vulcan XC-72를 질소흡착법으로 평균 기공 크기를 측정하였다. 평균기공크기는 6.3 nm이고 기공크기 분포는 다음과 같다.
- 기공 크기에 들어갈 수 있는 이오노머를 덴드리머로 선정하여 촉매와 이오노머를 혼합하여 전극을 제조하였다.
- 기존의 방식으로 제조한 MEA의 셀 성능과 PAMAM demdrjmer 를 넣어 제조한 이오노머 MEA의 I-V특성을 측정하였다.
- 본 연구에서 얻은 MEA는 기존 MEA의 특성에 거의 비슷한 특성을 보이고 있다.
- Pt 이용률이 다소 감소하고 charge transport resistance가 증가하는 현상이 나타났으나 연료 전지의 성능에는 큰 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 전기화학적 분석을 통해서 대부분의 PAM AM dendrimer를 사용한 MEA에서 더 낮은 Tafel slope 값을 얻을 수 있었고, 즉 더욱 빠른 전극 반응속도를 나타내는 것을 알 수 있었고, ion의 전달저항과 전극의 electrical 저항을 나타내는 Ri 값에 있어서 PAMAM dendrimer를 사용한 MEA에서 낮은 Ri 값을 얻음으로서 PAMAM dendrimer의 함침에 의해 저항이 줄어들었음을 알 수 있었다.
- G2 PAMAM dendrimerQJ amine surface group을 sulfonation 시킴으로서 새로운 작용기를 도입하여 그에 대한 영향을 조사하였다.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...10
• 제 1 절 연구 개요...10
• 1. 연료 전지 개요...10
• 2. 연료 전지 원리...11
• 3. Proton Exchange Membrane Fuel Cell(PEMFC)...13
• 가. 고분자 전해질...14
• 나. 전극...18
• 다. 촉매...24
• 라. 전극제조방법에서 응용된 물리화학적 원리...24
• (1) 활성화 과전압...25
• (2) 저항 과전압...26
• (3) 농도 과전압...27
• (4) 임피던스 분석...30
• 마. 기공 크기 분포 측정...34
• 바. Cyclic voltammetry 분석...35
• 사. 분리판...38
• 제 2 장 비불소계 고분자 전해질막...42
• 제 1 절 연구 내용...42
• 제 2 절 연구 결과...43
• 1. 실험 재료...43
• 2. 실험 결과...43
• 제 3 장 MEA 접착 향상 연구...50
• 제 1 절 연구 내용...50
• 1. 실험 목표...50
• 2. 실험 재료 및 운전 조건...51
• 가. 실험 재료...51
• 나. 운전 조건...51
• 3. 실험 방법...53
• 가. polyamidoamine (PAMAM) dendrimer의 치환...53
• 나. 전극 제조법...55
• (1) 시약 및 기구...55
• (2) 시료량의 계산...55
• 다. 실험 순서...57
• 라. Hot pressing을 이용한 MEA 제조...59
• 마. Nafion membrane의 전처리...59
• 바. Cell 조리법...62
• 사. 단위 전지의 성능 측정...63
• 아. 운전에 필요한 가스 유량 계산...64
• 자. PAMAM dendrimer를 이용한 catalyst ink 준비...64
• 제 2 절 실험 결과...70
• 1. BET 분석 결과...70
• 2. 연료 전지 성능측정 결과...72
• 3. Impedance 분석 결과...77
• 4. Cyclic voltammetry 분석 결과...80
• 5. 전기 화학적 이론을 이용한 분석...84
• 제 3 절 PAMAM dendrimer의 sulfonation에 관한 연구...91
• 1. 실험 목표...91
• 2. 실험 재료 및 운전 조건...91
• 3. 실험 방법...93
• 가. G2 PAMAM dendrimer의 sulfonation...93
• 나. Sulfonated PAMAM dendrimer를 이용한 전극 제조...94
• 4. 실험 결과...94
• 가. Sulfonation 실험 결과...94
• 나. 단위 전지 실험 결과...100
• 다. 실험 결과 분석...104
• 제 4 장 결론...106
• Reference...109