고분자전해질연료전지용 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 랜덤 공중합체-테프론 강화막 :Sulfonated poly(arylene ether sulfone) random copolymer-poly(tetrafluoroethylene) reinforced membranes for polymer electrolyte membrane fuel cells

안주희

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자료유형: 학위논문

저자정보: 안주희 (단국대학교, 단국대학교 일반대학원(천))

지도교수: 이창현

발행연도: 2017

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이용수7

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

고분자전해질연료전지용 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 랜덤 공중합체-테프론 강화막

안주희 에너지공학과 2017.01 학위논문

2016

연료전지용 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 랜덤공중합체 강화복합막의 제조 및 특성

안주희 , 이창현 멤브레인 2016.01 학술저널

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고분자 전해질 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기화학반응을 통해 직접적으로 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환장치를 의미한다. 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 소재인 고분자 전해질 막은 이온을 이동시킴과 동시에 연료기체를 차단하는 역할을 한다. 고분자 전해질 막은 열화학적 내구성과 우수한 기계적 강도, 높은 수소이온전도성, 높은 연료차단성 등이 요구된다. 대표적인 소재로 과불소계 술폰산 이오노머인 DuPont®사의 Nafion®이 있다. Nafion®은 우수한 화학적 내구성과 가습상태에서의 높은 수소이온전도성을 갖는 반면 연료전지 구동 시 고온, 저가습 조건하에서 수소이온전도성 유지가 어렵다는 단점이 있다. 그에 대안으로 여겨지는 소재로 가변적으로 수소이온전도성을 조절할 수 있고, 낮은 기체투과도를 갖는 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 이오노머가 고려되고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 연료전지 구동 시 가습조건에서의 높은 팽윤도와 무가습조건에서의 치수변화가 높아 촉매층과의 박리 현상이 발생하는 문제가 있다. 본 연구에서는 상기 문제를 해결하기 위한 방책으로 화학적 내구성이 우수한 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체의 기공 내에 이오노머를 함침 시켜 강화막을 제조하는 방법이 시도되었다. 함침 시 PTFE 지지체로의 자발적 함침을 유도하기 위해, SPAES 이오노머를 물과 알코올 혼합용매에 나노분산시키는 기술을 개발하였고, 나노분산용매의 낮은 비점 문제로 인한 막 형성 시 약화되는 기계적 강도 이슈를 해결하기 위한 유리전이온도 제어기술을 도입하였다. 제조된 강화막은 우수한 치수 안정성과 높은 수소이온전도성, 수소기체를 기계적 자극을 가하는 가스로 도입시켰을 때의 우수한 기계적 저항성, 향상된 단위전지 성능을 보였다.

Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 이론적 배경 3
2.1 고분자 전해질 연료전지 3
2.1.1 고분자 전해질 연료전지의 구성 및 작동원리 3
2.1.2 고분자 전해질 연료전지의 성능 7
2.2 막 전극접합체 14
2.3 고분자 전해질 막 16
2.3.1 고분자 전해질 막의 종류 및 특성 16
2.3.2 고분자 전해질 막의 이온전도 메커니즘 18
2.4 강화막 20
Ⅲ. 실험방법 22
3.1 재료 22
3.2 나노분산액의 제조 22
3.3 고분자 전해질 막의 제조 23
3.3.1 순수막의 제조 23
3.3.2 강화막의 제조 23
3.4 물리화학적 분석방법 25
3.4.1 기공특성분석 25
3.4.2 접촉각분석 25
3.4.3 Scanning electron microscope(SEM)분석 27
3.4.4 입자크기 및 분포분석 27
3.4.5 점도분석 28
3.4.6 Thermogravimetric analysis(TGA)분석 29
3.4.7 Differential scanning calorimetry(DSC)분석 29
3.4.8 팽윤거동분석 30
3.4.9 기계적 내구도분석 31
3.5 전기화학적 분석방법 31
3.5.1 수소이온전도도분석 31
3.5.2 Current–voltage polarization(I-V polarization)분석 33
Ⅳ. 실험결과 및 고찰 35
4.1 다공성 지지체의 분석결과 36
4.1.1 기공특성 36
4.1.2 모폴로지특성 36
4.1.3 Sorption특성 36
4.2 나노분산액의 분석결과 40
4.2.1 입자크기 및 분포특성 40
4.2.2 점도특성 42
4.2.3 용매증발거동 42
4.3 고분자 전해질 막의 분석결과 42
4.3.1 순수막의 Tg depression특성 42
4.3.2 팽윤거동특성 51
4.3.3 수소이온전도도특성 51
4.3.4 기계적 내구도특성 54
4.3.5 I-V polarization 특성 54
Ⅴ. 결론 57
참고문헌 58
영문요약 62
감사의 글 64

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