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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 정장훈
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 명지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
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다양한 에너지원 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 화석연료는 우리 사회에 환경오염과 같은 심각한 문제뿐만 아니라 재생이 불가능해 비효율적이라는 단점도 가지고 있다. 따라서 이를 대체할 수 있는 새로운 에너지의 연구 개발이 다방면으로 이루어지고 있으며, 그 중에서도 연료 전지는 수소를 이용해 전기에너지를 발생시키고 그 과정에서 물과 산소를 배출하기 때문에 환경오염을 일으키지 않아 친환경적이고 무한히 재생 가능하다는 점에서 훌륭한 대안이라고 할 수 있다.
그 중에서도 고분자 전해질 막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis)는 지속적으로 순도 높은 수소를 생산하고 이를 태양에너지나 풍력과 같은 에너지원과 결합하여 사용하기에 매우 적합한 방식으로 여겨지고 있다. 또한 높은 전류 밀도에서 작동 가능하고 다양한 전압으로 가동하여도 효율성이나 위험성에 관한 우려가 적다. 뿐만 아니라 비교적 소형의 시스템을 구축할 수 있어 고압에서의 작동도 가능하다. 하지만 대표적으로 사용되는 전해질 막인 듀퐁 사의 Nafionⓡ이 과불소계 전해질 막이기 때문에 환경 문제를 야기하며, 공정과정이 복잡하여 비싸다는 단점이 있다.
따라서 본 연구에서는 앞서 언급된 과불소계 막인 Nafionⓡ을 대체하기 위해서 친환경적인 탄화수소계열 고분자인 엔지니어링 플라스틱 PEEK를 모체로 한 고분자 전해질 막을 제조하였다. 전기화학적 성능을 더욱 향상시키기 위하여 셀룰로오스를 술폰화하여 제조한 cellulose sulfate를 첨가하였다. 또한 막의 기계적 강도를 최대한으로 보완하기 위해 가교제를 첨가하고 그 비율을 달리하여 CL-SPEEK/cellulose 복합막을 제조한 뒤 그에 따른 특성의 변화를 확인하였다.
그 결과 cellulose sulfate를 첨가한 복합막은 첨가제가 들어가지 않은 SPEEK 막보다 열적 안정성이 상승했고, 함수율이 증가하면서 수소 이온 전도도 또한 비교적 높은 수치를 보였다. 또한 가교제의 함량에 따라 비교하였을 때, 가교제를 많이 첨가할수록 인장강도와 산화내구성과 같은 내구성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 수소 이온 전도도의 경우 가교제 함량이 증가할수록 점차 감소하여 CL-SPE를K/Cellulose 복합막 Ⅰ 이 80℃에서 0.1312 S/cm로 가장 높게 나타났다.
CL-SPEEK/Cellulose 복합막 Ⅰ이 가장 좋은 수소 이온 전도도를 보이기는 하나 수전해에 적용할 때 필요한 기계적 특성과 산화내구성을 감안하였을 때 CL-SPEEK/Cellulose 복합막 Ⅱ가 수전해의 가동 조건을 적용하기에 가장 적합한 것으로 판단되며, 이를 이용하여 막-전극 접합체를 만든 뒤 전기화학적 성능을 측정한 결과 CL-SPEEK/Cellulose 복합막 Ⅱ의 활성면적은 9.74m2/g이며 조전압은 2.286V로 64.75%의 전압 효율을 보였다.
그 중에서도 고분자 전해질 막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis)는 지속적으로 순도 높은 수소를 생산하고 이를 태양에너지나 풍력과 같은 에너지원과 결합하여 사용하기에 매우 적합한 방식으로 여겨지고 있다. 또한 높은 전류 밀도에서 작동 가능하고 다양한 전압으로 가동하여도 효율성이나 위험성에 관한 우려가 적다. 뿐만 아니라 비교적 소형의 시스템을 구축할 수 있어 고압에서의 작동도 가능하다. 하지만 대표적으로 사용되는 전해질 막인 듀퐁 사의 Nafionⓡ이 과불소계 전해질 막이기 때문에 환경 문제를 야기하며, 공정과정이 복잡하여 비싸다는 단점이 있다.
따라서 본 연구에서는 앞서 언급된 과불소계 막인 Nafionⓡ을 대체하기 위해서 친환경적인 탄화수소계열 고분자인 엔지니어링 플라스틱 PEEK를 모체로 한 고분자 전해질 막을 제조하였다. 전기화학적 성능을 더욱 향상시키기 위하여 셀룰로오스를 술폰화하여 제조한 cellulose sulfate를 첨가하였다. 또한 막의 기계적 강도를 최대한으로 보완하기 위해 가교제를 첨가하고 그 비율을 달리하여 CL-SPEEK/cellulose 복합막을 제조한 뒤 그에 따른 특성의 변화를 확인하였다.
그 결과 cellulose sulfate를 첨가한 복합막은 첨가제가 들어가지 않은 SPEEK 막보다 열적 안정성이 상승했고, 함수율이 증가하면서 수소 이온 전도도 또한 비교적 높은 수치를 보였다. 또한 가교제의 함량에 따라 비교하였을 때, 가교제를 많이 첨가할수록 인장강도와 산화내구성과 같은 내구성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 수소 이온 전도도의 경우 가교제 함량이 증가할수록 점차 감소하여 CL-SPE를K/Cellulose 복합막 Ⅰ 이 80℃에서 0.1312 S/cm로 가장 높게 나타났다.
CL-SPEEK/Cellulose 복합막 Ⅰ이 가장 좋은 수소 이온 전도도를 보이기는 하나 수전해에 적용할 때 필요한 기계적 특성과 산화내구성을 감안하였을 때 CL-SPEEK/Cellulose 복합막 Ⅱ가 수전해의 가동 조건을 적용하기에 가장 적합한 것으로 판단되며, 이를 이용하여 막-전극 접합체를 만든 뒤 전기화학적 성능을 측정한 결과 CL-SPEEK/Cellulose 복합막 Ⅱ의 활성면적은 9.74m2/g이며 조전압은 2.286V로 64.75%의 전압 효율을 보였다.
목차
그림목차 ⅳ표 목 차 ⅵ기호설명 ⅶ국문초록 ⅸ제 1 장 서론 1제 2 장 이론적 배경 5제 1 절 수전해 기술 52.1.1. 수소 제조를 위한 수전해 기술 52.1.2. 고분자 전해질 막 수전해 셀의 원리 10제 2 절 고분자 전해질 막 112.2.1. 고분자 전해질의 요구 조건 112.2.2. 과불소계 고분자 전해질 막 132.2.3. 탄화수소계 고분자 전해질 막 152.2.4. 고분자 전해질의 술폰화 및 술폰화도 조절 172.2.5. 고분자 전해질 막의 가교결합 19제 3 절 셀룰로오스 192.3.1. 셀룰로오스의 첨가 192.3.2. 셀룰로오스의 술폰화 20제 3 장 실험 23제 1 절 고분자 전해질의 제조 233.1.1. 술폰화된 PEEK의 제조 233.1.2. PEEK-SO2Cl의 제조 233.1.3. 부분 환원된 PEEK-SO2Cl-SO2Li의 제조 24제 2 절 술폰화된 셀룰로오스의 제조 24제 3 절 공유가교 결합된 SPEEK/Cellulose 복합막의 제조 25제 4 절 막-전극 접합체(MEA)의 제조 28제 5 절 측정 방법 및 장비 283.5.1. 고분자 전해질 막의 물리화학적 특성 분석 283.5.2. 고분자 전해질 막의 전기화학적 특성 분석 293.5.3. 고분자 전해질 막의 산화내구성 분석 313.5.4. 고분자 전해질 막의 기계적 강도 분석 323.5.5. 막-전극 접합체(MEA) 전극 촉매의 전기화학적 분석 353.5.6. 막-전극 접합체(MEA)의 수전해 효율 분석 36제 4 장 결과 및 고찰 38제 1 절 CL-SPEEK/Cellulose 복합막 특성 384.1.1. 물리화학적 특성 384.1.1.1. FT-IR spectra 특성 384.1.1.2. SEM 및 EDX 특성 404.1.1.3. 열적 안정성 특성 444.1.2. 전기화학적 특성 474.1.2.1. 수소 이온 전도도 특성 474.1.2.2. 이온교환용량과 함수율 특성 494.1.3. 내구적 특성 514.1.3.1. 산화내구성 특성 514.1.3.2. 기계적 강도 특성 53제 2 절 막-전극 접합체의 특성 56제 5 장 결론 59참고문헌 61Abstract 70
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