• 멤브레인
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• 제30권6호
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• pp.395-408
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• 2020

고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 환경오염물질 배출이 없는 친환경 에너지 변환 장치로 주목을 받고 있다. PEMFC의 구성요소 중 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 음극에서 발생되는 수소이온을 양극으로 전달하는 역할과 동시에 분리막으로써 연료의 투과를 차단하는 역할을 수행하는 핵심 소재이다. 대표적으로 Nafion®과 같은 과불소화계 고분자 전해질 막이 상용화 되어있지만 높은 단가 및 분해 시 환경오염물질이 배출되는 단점이 존재하여, 이를 대체할 탄화수소계 고분자를 활용한 전해질 막 개발에 관한 연구들이 수행되고 있다. 높은 수소이온 전도도를 가지며 동시에 우수한 물리·화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 전해질 막을 개발하기 위해 가교 구조가 도입된 전해질 막을 개발하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설은 가교 전해질 막을 제조하기 위해 이온교환 작용기가 도입된 탄화수소계 고분자를 활용하여 다양한 종류의 가교 전해질 막을 제조하는 방법에 대해 논하였다.

• 멤브레인
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• 제32권6호
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• pp.427-441
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• 2022

고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 핵심 구성요소 중 하나인 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 수소이온을 애노드(anode)에서 캐소드(cathode)로 이동시키는 전해질의 역할 및 연료의 투과를 막는 분리막으로서의 역할을 수행하며 PEMFC의 성능 및 효율을 결정짓는 핵심 소재이다. 현재 나피온 (Nafion^®)으로 대표되는 과불소화계 전해질 막이 높은 수소이온 전도도 및 화학적 안정성으로 인해 상용화 되었지만, 높은 생산비용과 구동 시 환경오염 물질이 배출된다는 문제점을 갖고 있다. 이를 대체할 PEM 소재로써 고분자의 구조 조절 및 개질 과정이 용이한 다양한 종류의 탄화수소계 고분자가 제시되고 있지만, 실제 PEMFC에 적용되기 위해서는 성능 및 내구 특성을 개선해야 하는 과제가 남아있다. 이에 본 총설은 탄화수소계 PEM의 성능 및 내구 특성을 향상시키기 위해 1) 가교 구조를 도입한 가교 막 개발, 2) 무기 첨가제 도입을 통한 유⋅무기 복합 막 개발 및 3) 다공성 지지체를 활용한 강화 복합막을 개발하는 연구에 대해 살펴보고자 한다.

• 멤브레인
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• 제33권6호
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• pp.325-343
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• 2023

직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 연료의 개질 없이 메탄올 연료를 공급하여 수소이온과 전자 생성을 통해 전류를 생산하는 에너지 변환 장치이다. 현재 DMFC에 적용되고 있는 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 높은 수소이온 전도도와 물리화학적 안정성을 갖는 과불소화계 이오노머를 활용한 PEM이지만, 높은 메탄올 투과율과 분해 시 발생되는 환경 오염 물질 등의 문제로 인해 신규 소재 개발이 요구되고 있다. 최근 들어, 과불소화계 이오노머에 비해 낮은 연료 투과율 및 우수한 물리화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 PEM을 DMFC에 적용하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설에서는 탄화수소계 고분자 기반 PEM 중 1) 친수성/소수성 영역의 뚜렷한 나노 상분리 구조를 나타내는 가지형 공중합체를 합성하여 수소이온 전도성과 메탄올의 선택도를 향상시킨 연구, 2) 제막 단계에서 가교 구조를 도입하여 메탄올 투과율을 감소시키고 치수 안정성을 향상시킨 연구, 3) 유/무기계 첨가제 및 다공성 지지체를 도입하여 성능을 개선한 복합 막 개발 연구에 대해 소개하고자 한다.

• 한국응용과학기술학회지
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• 제22권2호
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• pp.151-156
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• 2005

Many researchers have been focused on polymer electrolyte membrane (PEM) to improve performance of a fuel cell. Sulfonpolyimide with hydrocarbon was synthesized from ODA (4,4-diaminodiphenyl ether), ODADS (4,4-diaminodiphenyl ether-2,2-disulfonic acid), NTDA (1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylicdianhydride) and CSA (chlorosulfonic acid). In order to estimate the feasibility as a fuel cell, the performance of sulfonpolyimide was analyzed through a swelling degree, IEC (ion exchange capacity), ion conductivity and TEM (transmission electron microscope). As the results of this performance test, swelling degree, IEC and ion conductivity were 37%, 0.06 meq/g and 0.08 S/cm respectively, when the CSA concentration was 0.4 M. It was thought that sulfonpolyimide could be used as a fuel cell through improvement of electrolyte membrane.

• 전기화학회지
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• 제19권2호
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• pp.39-44
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• 2016

연료전지에서 산소 환원 반응 (ORR)은 전체 반응에서 지배적인 역할을 한다. 또한 서로 다른 물질로 이루어진 막과 바인더 간의 낮은 호환성은 연료전지 효율을 크게 감소시킨다. 이러한 두 가지 문제점을 고려하여, 본 연구에서는 기존의 일반적인 Biphenol 대신 입체적 구조를 갖는 9,9_Bis(4-hydroxyphenyl) fluorine를 이용한 고분자를 합성하여 각각의 전극 바인더를 제조하였고, 이를 이용하여 각각의 나피온 막과 탄화수소 막 위에 스프레이 기법으로 MEA를 제조하여 전기화학적 성능 평가를 진행하였다. 그 결과 전류-전압 곡선에서의 0.6 V의 성능이 두 종류의 다른 막을 적용 했을 때 큰 차이를 보이지 않았으며, 탄화 수소 막의 타펠 기울기의 정도가 나피온 막에 비해 현저히 낮았다. 이를 통해 본 연구에서 적용된 아이오노머 바인더가 연료 전지성능 향상에 더 기여할 수 있을 것으로 판단 된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2005년도 춘계학술대회
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• pp.235-238
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• 2005

Sulfonated poly(ether sulfone) copolymers (PESs) were synthesized using hydroquinone 2-potassium sulfonate (HPS) with other monomers (bisphenol A and 4-fluorophenyl sulfone). PESs with different $mole\%$ of hydrophilic group were prepared by changing the mole ratio of HPS in the polymerization reaction. The chemical structure and the thermal stability of these polymers were characterized by using $^1H-NMR$, FT-IR and TGA techniques. The PES 60 membrane, which has $60 mole\%$ of HPS unit in the polymer backbone, has a proton conductivity of 0.091 S/cm and good insolubility in boiling water. The TGA showed that PES 60 was stable up to $272^{\circ}C$ with a char yield of about $29\%\;at\;900^{\circ}C\;under\;N_2$ atmosphere. To investigate the single cell performance, the catalyst coated PES 60 membrane was used and a single cell test was carried out using $H_2/O_2$ gases as fuel and oxidant at various temperatures. We observed that the cell performance was enhanced by increasing the cell temperature. A current density of $1400 mA/cm^2$ at 0.60 V was obtained at $70^{\circ}C$.

• 멤브레인
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• 제33권3호
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• pp.127-136
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• 2023

본 연구에서는 실리카 복합막 기반 고분자 전해질막을 5단 연료전지 스택에 적용하여 성능 평가를 수행하였다. 이를 통하여, 개별 구성 요소의 성능도 중요하지만, 전체적인 관점에서 공급되는 연료의 유량이 스택 성능에 중요한 역할을 하며, 특히 수소의 유량에 크게 의존한다는 사실이 확인하였다. 산소의 유량을 증가시켜도 성능의 변화는 미미한 반면, 수소의 유량을 증가시키면 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 그러나 수소의 유량 증가는 수소와 산소 유량 비율의 불균형을 초래하여 장기적으로는 스택 성능과 내구성을 저하시키는 문제가 관찰되었다. 이러한 현상을 스택 구성 요소 및 개별 단위 셀에서도 관찰할 수 있었으며, 따라서 스택 운전 시 각 구성 요소의 성능을 최적화하는 것 외에도 균일한 유량 제어를 위해 유로 설계 및 운전 조건을 최적화하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 실리카 복합막은 최대 출력 기준 25 W 이상의 성능을 나타내어 실제 연료전지 시스템에 적용하기에 충분한 성능을 갖춘 것으로 판단된다.

• 멤브레인
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• 제27권2호
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• pp.182-188
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• 2017

본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 전해질막의 화학적 안정성의 향상을 위하여 3-mercaptopropyl silica gel (3MPTSG)과 poly(arylene ether sulfone)(SPAES)을 이용하여 복합막을 제조하였다. 일반적으로 방향족 탄화수소계 고분자막은 전극 부분에서 발생한 라디컬에 의한 고분자 산화가 일어나 내구성이 감소하게 되는데 이는 대부분 주쇄에 포함된 에테르 기 부분의 취약성으로 발생한다. 본 연구에서는 이러한 라디칼에 의한 고분자 주쇄의 산화를 방지하기 위해 친수성의 무기물 입자를 도입하여 이온전도도 감소율을 최소화하고 산화안정성을 높이고자 하였다. 복합막들의 물성 및 전기화학적 특성을 평가하기 위해 접촉각, FT-IR, 이온전도도, 이온교환용량(IEC), 함수율, 열안정성 등을 수행하였다. 실리카의 함량이 0에서 0.5%까지 증가함에 따라 이온전도도 및 함수율은 각각 10% 감소한 0.076 S cm-1 및 16% 감소한 24.6 wt%이었으나, 산화안정성은 10% 향상되었다.

• 멤브레인
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• 제25권5호
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• pp.456-463
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• 2015

본 연구에서는 고온에서 우수한 전도성을 가지는 전해질막의 개발을 위하여 신규한 실란계 무기물을 합성하였으며, 이를 이용하여 제조된 분리막의 특성평가가 진행되었다. 탄화수소계열 고분자인 SPAES를 합성하여 고분자 물질로 사용하였으며, 높은 이온전도성을 가지는 무기물의 제조를 위하여 silica, phosphate, zironium계 물질을 졸겔법을 이용하여 복합화 시켰다. 각 조성의 몰비를 조절하여 세 가지 종류의 무기물을 제조하였으며 조성에 따른 물성변화를 관찰하였다. EDX 분석결과 제조된 무기물은 고분자 분리막 내에 고르게 분산이 되는 것을 확인하였다. 친수성을 가지는 무기물의 도입을 통하여 분리막 내에 이온을 전달할 수 있는 수분채널이 형성되어 함수율이 증가가 됨을 확인하였다. 또한 zirconium계 무기물의 함량이 높을수록 고온에서 전도도가 향상되는 결과를 확인하였으며 복합화된 실리카는 저온 가습조건에서 이온전도도가 향상되는 결과를 나타내었다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제34권6호
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• pp.673-681
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• 2023

Hydrocarbon-based polymer membranes to replace perfluorinated polymer membranes are being continuously researched. However, hydrocarbon-based membranes have a problem in that they are less durable than fluorine-based membranes. In this study, we sought to compare the annealing effect to improve the durability of sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK). After membranes formation, thermogravimetric analysis and tensile strength were measured to compare changes in membranes properties due to annealing. After manufacturing the membrane and electrode assembly (MEA), the initial performance and chemical durability was compared with unit cell operation. During the 24-hour annealing process, the strength increased due to the increase in-S-O-S-crosslinking, and the sulfonic acid group decreased, leading to a decrease in I-V performance. By annealing, the hydrogen permeability was reduced to less than 1/10 of that of the nafion membrane, and as a result, open circuit voltage (OCV) and durability was improved. The SPEEK membranes annealed for 24 hours showed higher durability than the nafion 211 membranes of the same thickness.