초록 ▼

III. 연구개발의 내용 및 범위
○ 방사선 그라프팅 기술을 이용한 알칼라인 연료전지용 음이온교환막 제조
- VBC 단량체를 불소필름에 그라프트 시키기 위한 방사선 조사 조건 연구
. 3종의 불소계열 필름(ETFE, FEP, PFA)과 VBC 단량체를 사용하여 조사방법(동시조사, 전조사), 조사선량(0 ~ 80 kGy), 용매의 종류(CCl₄, CHCl₃, CH₂Cl₂, 1,2-DCE, Toluene, Isopropanol, Heptane

III. 연구개발의 내용 및 범위
○ 방사선 그라프팅 기술을 이용한 알칼라인 연료전지용 음이온교환막 제조
- VBC 단량체를 불소필름에 그라프트 시키기 위한 방사선 조사 조건 연구
. 3종의 불소계열 필름(ETFE, FEP, PFA)과 VBC 단량체를 사용하여 조사방법(동시조사, 전조사), 조사선량(0 ~ 80 kGy), 용매의 종류(CCl₄, CHCl₃, CH₂Cl₂, 1,2-DCE, Toluene, Isopropanol, Heptane 등), 단량체의 농도(30 ~ 70%) 등이 그라프트율에 미치는 영향을 분석하였고 SEM-EDX를 이용하여 제조된 그라프트 필름의 단면에서 VBC 고분자의 내부 분포를 분석하였음.
- 음이온교환기 도입을 위한 다양한 아민류와의 반응 연구
. 불소고분자 필름에 그라프트된 VBC 고분자에 음이온교환기를 도입하기 위하여 다양한 화학 구조를 가진 아민들(TMA, DMBA, DMA, MPP)과 반응시켜 음이온교환막을 제조하였고 특성 및 기계적 물성을 비교 분석하였음.
- 최적화된 방사선 그라프트 조건으로 제조된 음이온교환막의 특성 분석
. 최적화된 방사선 그라프트 조건(ETFE, PFA 필름 사용, 2 kGy/h 선량률, CHCl₃ 용매와 TMA 아민 사용 등)으로 음이온교환막을 제조하고 연료전지막으로서의 물성을 측정하였고 연료전지막으로 적합성 여부를 확인하였음.
○ 가교구조 도입에 의한 음이온교환막 내구성 향상 기술 개발
- 디아민을 이용한 가교구조의 음이온교환막 제조 조건 확립 및 물성 연구
. 방사선을 이용하여 VBC 고분자가 그라프트된 ETFE필름을 제조한 후 아민 관능기를 2개 이상 가지고 있는 디아민들(DABCO, TMDAP, TMDAH)을 도입을 위한 아민화 반응 최적 조건을 연구하였음. 최적화된 조건으로 DABCO 아민을 사용하여 제조한 가교구조의 음이온교환막의 이온교환용량, 이온전도도, 함수율 및 화학적 안정성 등의 중요 물성을 평가하였음.
- DVB을 이용한 가교구조의 음이온교환막 제조 조건 확립 및 물성 연구
. 다양한 함량(0 ~ 12%)의 divinylbenzene(DVB)을 이용하여 가교구조의 그라프트 필름 제조를 위한 방사선 조사 조건을 최적화 하였으며 VBC 고분자가 그라프트된 가교구조의 필름은 TMA로 처리하여 가교구조의 음이온교환막을 제조하였고 음이온교환막의 이온교환용량, 이온전도도, 함수율 및 화학적 안정성 등의 중요 물성을 평가하였음.
○ 음이온교환막 구조 분석
- 냉중성자 소각산란(SANS)과 원자힘현미경(AFM)을 이용한 그라프트막 및 음이온교환막의 미시 구조분석
. 방사선 그라프트를 이용하여 제조된 가교/비가교 그라프트 필름 및 음이온교환막의 구조 분석을 위해 SEM-EDX, 냉중성자 소각산란 (SANS), 원자힘현미경(AFM)을 이용하였음. 그라프트 고분자의 필름 내부로의 침투 정도와 음이온교환기의 필름 단면 분포는 SEM-EDX를 이용하여 관찰하였고 가교 및 그라프트율에 따른 필름의 결정질 변화는 SANS를 이용하여 관찰하였음. 제조된 가교구조의 그라프트 필름 및 음이온교환막의 미세 모폴로지는 AFM을 이용하여 관찰하였음.
○ 음이온교환막 이용 단위전지셀 조립 및 알칼라인 연료전지 기초성능 평가
- 촉매와 음이온교환막의 접합테스트
. 방사선을 이용하여 제조된 음이온교환막은 CCS와 CCM 방법으로 MEA 조립 조건을 연구하였음. CCS 방법에서는 다양한 압력(40 ~ 120 kgf/cm²) 및 온도(50 ~ 90 ℃)에서는 hot pressing을 통한 MEA 제작 조건을 파악하였고 기체확산층 종류(carbon cloth, carbon paper)에 따른 접합성을 관찰하였음.
- 개발된 음이온교환막을 적용한 MEA의 전극-막 계면특성 파악
. 제조된 음이온교환막을 이용하여 다양한 조건에서 MEA 제작 및 성능 평가를 통해 전극-막 계면 안정성 파악. 전극 촉매층 형성 방법에 따른 MEA 성능 파악하였음.
- 다양한 연료조건하에서 알칼라인 연료전지의 성능 및 내구성 검토
. 액체연료, 수소, 개질수소의 연료조건에서 MEA 성능 파악하였고 제작된 MEA의 연료 크로스 오버 특성 및 다양한 연료조건하에서 막-전극 안정성을 파악하였음. 방사선으로 제조된 가교구조의 음이온교환막을 이용하여 MEA를 조립한 후 200 시간동안 연료전지 성능 평가 및 내구성 평가를 진행하였음.

Abstract ▼

III. The content and scope of the research and development
○ Preparation of anion exchange membranes for alkaline fuel cell by a radiation grafting technique.
- Study of the irradiation condition for grafting of VBC onto a fluoropolymer film
. The effects of three fluoropolymer films (ETFE,

III. The content and scope of the research and development
○ Preparation of anion exchange membranes for alkaline fuel cell by a radiation grafting technique.
- Study of the irradiation condition for grafting of VBC onto a fluoropolymer film
. The effects of three fluoropolymer films (ETFE, FEP, PFA), VBC monomer, irradiation methods (simultaneous and pre-irradiation), various doses (0 ~ 80 kGy), solvents (CCl₄, CHCl₃, CH₂Cl₂, 1,2 DCE, toluene, isopropanol, and heptane etc), monomer concentration (30 ~ 70%) on the degree of grafting were investigated. SEM-EDX was utilized to investigate the distribution of the VBC graft polymer over the cross-section of the grafted film.
- Study of the reactions for the introduction of various amines
. To introduce anion exchange groups onto a fluoropolymer film, various amines with different chemical structure were prepared and characterized. Their mechanical properties also were analyzed and the results were compared.
- Characterization of anion exchange membranes prepared by an optimized radiation grafting condition
. Anion exchange membranes were prepared by an optimized radiation grafting condition (ETFE, PFA films, 2 kGy/h dose rate, CHCl₃ solvent, TMA amines and etc.) and their properties as a fuel cell membrane were characterized. The operability of the membranes as a fuel cell membrane was also investigated.
○ Improvement of the durability of anion exchange membrane by introducing cross-linked structure.
- Study on the optimized preparation conditions of cross-linked anion exchange membranes prepared by diamines and the characterizations of their properties.
. After preparation of the grafted film with VBC polymer by radiation, the optimized reaction conditions for the introducing diamies with two separated functional amines (DABCO, TMDAP, TMDAH) into the grafted film were studied. In the optimized conditions, cross-linked anion exchange membranes with DABCO moiety were prepared and the important properties such as ion exchange capacity, ion conductivity, water uptake, and chemical stability were evaluated.
- Study on the optimized preparation conditions of cross-linked anion exchange membranes prepared by DVB and the characterizations of their properties.
. The optimization reaction conditions for the preparation of grafted film with cross-linked structure by various contents of DVB (0 ~ 12%) were studied. The cross-linked films were treated with TMA to prepare anion exchange membranes with cross-linked structure and the important properties such as ion exchange capacity, ion conductivity, water uptake, and chemical stability were evaluated.
○ Structural analysis of anion exchange membranes
- Structural analysis of the grafted films and anion exchange membranes by cold small angle scattering (SANS) and atomic force microscopy (AFM)
. The structures of grafted films and anion exchange membranes prepared by a radiation grafting method were analyzed by cold small angle scattering (SANS) and atomic force microscopy (AFM). The crpss-sectional penetration pattern of monomer onto the film and cross-sectional distribution pattern of the anion exchange functional groups were observed by SEM-EDX. The changes of the crystal structure of grafted films and anion exchange membranes according to the cross-linking and the degree of grafting were observed by SANS. The microscopic morphology of the cross-linked films and anion exchange membranes was observed by AFM.
○ Preparation and performance evaluation of unit cell employed radiation-grafted anion-exchange membrane
- Assembly test of anion-exchange membrane with catalyst layer
. MEA assembly conditions of the anion exchange membranes prepared by radiation were performed by CCS and CCM methods. Establishment of MEA preparation conditions through the assembly test under various hot-pressing temperature (50 ~ 90 ℃) and pressure (40 ~ 120 kgf/cm²) was accomplished. The investigation of the effect of types (carbon cloth, carbon paper) of gas diffusion layers on the resultant catalyst-membrane assembly has been carried out.
- The investigation of interfacial properties of MEA prepared by employing radiation-grafted anion-exchange membrane
. The investigation of the interfacial stability between catalyst layer and anion-exchange membrane has been carried out through the performance evaluation of MEA that is prepared by using radiation-grafted membrane under various conditions of hot-pressing. The performance of MEA with different formation methods of catalyst layer was evaluated.
- The performance evaluation of MEA under the condition of various types of fuels and the evaluation of durability of the fuel cell.
. The performance and stability of MEA fed with liquid fuel, hydrogen, and reformatted hydrogen were evaluated. The fuel-crossover properties were also investigated. MEA were assembled with anion exchange membrane prepared by radiation and its performance and durability were investigated for 200 h fuel cell operation time.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 17
• 목 차 ... 19
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 21
• 제1절 연구개발의 필요성 ... 21
• 제2절 연구개발의 목적 및 범위 ... 27
• 1. 연구개발 최종목표 ... 27
• 2. 연구개발의 범위 ... 27
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 29
• 제1절 선진국 연구개발 동향 및 기술수준 ... 29
• 제2절 국내 연구개발 동향 및 선진국과의 기술격차 ... 33
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 35
• 제1절 방사선 그라프팅 기술을 이용한 알칼라인 연료전지용 음이온교환막 제조 ... 35
• 1. 서론 ... 36
• 2. 실험 방법 ... 38
• 3. 연구 내용 ... 44
• 제2절 가교구조 도입에 의한 음이온교환막 내구성 향상 기술 개발 ... 67
• 1. 서론 ... 68
• 2. 실험 방법 ... 70
• 3. 연구 내용 ... 71
• 제3절 음이온교환막 구조 분석 ... 87
• 1. 서론 ... 87
• 2. 실험방법 ... 88
• 3. 연구내용 ... 89
• 제4절 제조된 음이온교환막을 사용하여 단위전지셀 조립 및 알칼라인 연료전지 기초성능 평가 ... 99
• 1. 서론 ... 100
• 2. 실험 방법 ... 101
• 3. 연구 내용 ... 103
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에서의 기여도 ... 136
• 제1절 목표달성도 ... 136
• 1. 1차년도 연구목표 ... 136
• 2. 2차년도 연구목표 ... 137
• 3. 3차년도 연구목표 ... 138
• 제2절 관련분야에서의 기여도 ... 140
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 142
• 제6장 연구개발과제에서 수집한 해외과학기술정보 ... 144
• 제 7 장 연구시설·장비현황 ... 145
• 제 8 장 참고문헌 ... 146