• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제57권6호
• /
• pp.768-773
• /
• 2019

고분자전해질연료전지(PEMFC)의 고분자막의 전기화학적 내구성을 평가하는 펜톤(Fenton)반응과 개회로전위 유지(OCV Holding)방법에 의한 고분자 막의 열화 결과를 비교하였다. 펜톤 반응은 셀 밖에서 OCV Holding 방법보다 더 짧은 시간에 고분자막의 화학적인 내구를 평가할 수 있는 방법이다. 펜톤 반응은 과산화수소 30%, 철이온 80 ppm, $80^{\circ}C$에서 24시간 실시하였다. OCV Holding은 $90^{\circ}C$, 상대습도 30%, OCV에서 168시간 시간 구동하였다. 펜톤 반응에 의해서는 고분자막의 내부에서 열화가 많이 발생하는 현상을 보였다. 반면에 OCV Holding에서는 표면과 내부 전체적인 열화에 의해 막 두께가 얇아졌다. 펜톤 반응에 의해 불소유출속도는 OCV Holding에 비해 10배 이상 높았다. 수소투과속도는 펜톤 반응 24시간에 약 30% 증가하였다. OCV Holding에서는 24시간에 수소투과도가 감소하였고 이후 증가하는 경향을 보였다. 전체적으로 펜톤 반응과 OCV Holding에 의한 고분자막 열화는 차이가 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제60권2호
• /
• pp.217-222
• /
• 2022

고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 고분자 막의 전기화학적 내구성을 가속적으로 평가하는 개회로 전위 유지(OCV holding) 과정에서 OCV 변화 거동을 해석하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 내구성이 각기 다른 세 종류의 MEA(membrane electrode assembly)의 실험데이터를 이용한 실험식을 만들어 비교 및 검토하였다. 막 내부에 라디칼 제거제가 없는 강화막 MEA의 내구 평가시간은 383 h, 막 내부에 라디칼 제거제가 있는 강화막 MEA의 내구 평가시간은 각각 1,000, 1,650 h이었다. 고분자 막의 열화는 활성화에 의해 회복이 가능한 가역적 열화와 회복이 되지 않은 비가역적 열화로 구분했다. 고분자 막의 비가역적 열화는 수소투과도 증가로 나타나는데 수소투과도 변화가 세 MEA 모두 비가역적 열화 상수 c와 유사한 형태를 보였다. 회복이 되지 않은 비가역적 열화가 시작되는 것은 수소투과도 증가로 나타나고, 수소투과도 증가로 인해 OCV가 회복되지 않아서 OCV 회복선의 기울기가 감소하고 이를 실험식의 상수 c 값의 증가로 확인할 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제58권1호
• /
• pp.59-63
• /
• 2020

PEMFC 고분자막의 내구성을 향상시키기 위해서 Radical 제거제가 사용되고 있다. 본 연구에서는 라디칼 제거제로서 해조류에서 추출한 후코이단이 고분자막의 전기화학적 열화를 방지하는지 Fenton 실험과 가속내구 평가방법(OCV Holding) 실험을 통해 검토하였다. 후코이단은 항산화 효과가 있어 과산화수소와 산소 라디칼로부터 고분자막을 보호해 열화속도를 1/10로 감소시켰다. 후코이단이 라디칼 제거제로 사용되는 MnO₂보다 효과적임을 보였다. PEMFC셀에서 OCV Holding 실험한 결과, 후코이단이 고분자막의 수소투과도를 12% 감소시켰고, 성능은 라디칼 제거제가 없을 때 보다 29.1% 감소시켜 PEMFC 셀에서도 라디칼 제거제의 역할을 함을 확인하였다. 그리고 후코이단을 Anode쪽보다 Cathode 쪽 전극 이오노머에 넣은 것이 더 효과적임을 확인하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제62권1호
• /
• pp.1-6
• /
• 2024

상용차용 수소 전기 차량 수요가 증가하면서 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) 내구성은 승용차용보다 5배 이상 증가해야 하므로 내구성 향상 연구개발이 시급한 상황이다. PEMFC 막전극접합체 (MEA)가 화학적 열화가 진행되면 MEA 두께가 감소하고 핀홀이 발생하기도 한다. 본 연구에서는 화학적 열화 가속 실험인 개회로전압 (OCV) holding 후에 단위전지의 체결압을 상승시키면서 MEA의 성능 및 내구성의 변화를 측정하였다. 체결압이 상승하면서 고분자막의 저항과 막/전극 접촉저항이 감소하여 I-V 성능이 향상되었고, 수소투과도가 감소하였다. 수소투과도 감소에 따라 OCV는 증가하였다. 핀홀 부위를 제거하고 MEA 체결압을 증가시켰을 때 수소투과도가 급감하여 국부적인 열화가 전체 셀의 성능과 내구성에 미치는 영향이 큼을 확인하였다. 핀홀 부위 제거 후 재체결하고 OCV holding 평가를 하였을 때 막 저항과 수소투과도 감소에 따라 내구성이 향상됨을 확인하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제57권3호
• /
• pp.344-350
• /
• 2019

연구개발한 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 막과 전극합체(MEA)의 상용화를 위해서는 내구성 확보가 매우 중요하다. 정치용 PEMFC MEA의 내구평가는 정전류 조건에서 전압변화 속도를 1000시간이상 장시간 측정해야하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 내구평가시간을 단축시키기 위해 차량용 MEA에 적용하고 있는 고분자막의 전기화학적 내구 평가 프로토콜(OCV 유지법)을 정치용 MEA 내구 평가에 적용하였다. OCV, cathode 산소, $90^{\circ}C$, 상대습도 30% 조건에서 정치용과 차량용 MEA를 각각 168시간 구동 후에 I-V, LSV, CV, 임피던스, FER 등을 측정해서 비교하였다. 열화 후 전해질 막의 내구성을 나타내는 수소투과도, OCV 변화, 이온전도도, 불소유출량 등을 모두 검토했을 때 정치용이 차량용보다 내구성이 더 좋음을 보였다. 그리고 전극열화도 정치용 MEA가 작아서 정치용 MEA가 고분자막과 전극 모두 차량용보다 내구성이 우수함을 차량용 프로토콜에 의해 짧은 시간에 평가할 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제60권1호
• /
• pp.7-11
• /
• 2022

고분자전해질 연료전지의(PEMFC)의 제막 과정에서 성능 및 내구성을 위해 건조와 어닐링의 열처리 과정이 필요하다. 본 연구에서는 고분자막 내구성 향상을 위한 최적의 어닐링 온도에 대해 연구하였다. 125~175 ℃ 온도 범위에서 어닐링하였고, 각 어닐링 온도에서 내구성의 기초 자료로 열 안정성 및 수소투과도를 측정하였다. 펜톤 반응과 OCV holding에 의해 전기화학적 내구성을 분석했다. 165 ℃ 어닐링 온도가 열 안정성과 수소투과도 면에서 최적의 온도였다. 펜톤 반응에서 165 ℃에서 어닐링한 막의 불소유출속도가 제일 낮고, OCV holding 실험에서도 165 ℃에서 어닐링한 막의 수명이 제일 길어, 165 ℃가 고분자막의 내구성을 위한 최적의 온도임을 확인했다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제59권3호
• /
• pp.339-344
• /
• 2021

고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 내구성 향상을 위해서 고분자막의 내구성을 짧은 시간에 정확히 평가하는 것은 중요하다. 최근에 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)에서 고분자막의 화학적 내구성과 기계적 내구성을 결합해 평가하는 프로토콜을 보고하였다. 이 프로토콜은 개회로전압(Open Circuit Voltage, OCV) 유지 상태에서 가습/건조를 반복함으로써 화학적/기계적 열화를 고분자막에 가한다. OCV 변화 반복에 따른 전극 열화의 영향을 많이 받고 평가시간이 장시간인 점들이 이 프로토콜의 문제점이다. 본 연구에서 DOE 프로토콜의 다른 조건들은 그대로 두고 양극(Cathode) 가스로 공기 대신 산소를 사용함으로써 내구평가 시간을 408시간에서 144시간으로 단축시킬 수 있었다. 전압변화 사이클 횟수를 1/3로 감소시킴으로써 전압변화 사이클에 의한 전극열화는 종료 시점에서 공기에 비해 산소 사용 시 1/12로 감소시켜서, 고분자막 내구 평가를 보다 정확히 할 수 있게 하였다.

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

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제61권2호
• /
• pp.189-195
• /
• 2023

PEMFC(고분자 전해질 막 연료전지) cathode 촉매로 Pt-Co/C가 내구성 향상 때문에 최근에 많이 사용되는 추세이다. 연료전지에서 전극과 전해질은 상호 간에 성능과 내구성 면에서 밀접하게 영향을 준다. Pt/C 전극 촉매에서 Pt-Co/C로 대체되었을 때 고분자 전해질막의 전기화학적 내구성에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. PEMFC 고분자막의 전기화학적 가속 열화 과정에서 Pt-Co/C MEA(막전극접합체)의 내구성이 Pt/C MEA 내구성보다 높았다. FER (불소유출속도)와 수소투과도를 분석한 결과 Pt-Co/C MEA의 고분자막 열화속도가 Pt/C MEA보다 낮음을 보였다. OCV(개회로전압) holding 과정에서 Pt-Co/C 전극의 활성면적 감소속도가 Pt/C 전극보다 낮고, 고분자막에 석출되는 Pt 양도 Pt-Co/C MEA가 Pt/C MEA보다 작았다. 고분자막 내부의 Pt는 라디칼을 생성해서 고분자막을 열화시킴으로 Pt 석출 속도가 높은 Pt/C MEA의 고분자막 열화속도가 높게 나타났다. Pt-Co/C 촉매를 사용하면 전극 내구성도 향상되고, 고분자막에 석출되는 Pt양도 감소해서 고분자막의 전기화학적 내구성을 향상시켰다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제61권3호
• /
• pp.362-367
• /
• 2023

최근 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 고분자 막의 연구개발은 가격 저감과 성능 향상을 위해 박막화하는 방향으로 진행되고 있다. 그리고 상용차용 수소 전기 차량 수요가 증가하고 있는데, 승용차용보다 내구성이 5배 증가해야 한다. 막의 두께가 얇아짐에도 불구하고 내구성은 5배 증가해야 하므로, 막의 내구성 향상이 더 중요해진 상황이다. 가속 내구 평가 시간도 단축해야하기 때문에 기존 프로토콜에서 공기 대신 산소를 사용한 프로토콜을 10 ㎛ 박막에 적용해 내구성을 평가하였다. 가속 내구 평가(개회로 전압 유지)는 720시간에 종료하였다. 공기를 사용한 미국 에너지부(DOE) 프로토콜을 사용했다면 약 1,500시간의 내구성으로 운전시간 450,000 km 수명을 예상한다. 화학적 내구 평가중에 전극의 활성 면적이 51% 감소해 촉매 열화가 막 내구성 약화에 영향을 준 것으로 판단되고, 촉매 열화 속도를 감소시키면 막 내구성이 증가할 것으로 예상된다.