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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

주지영 (전북대학교, 전북대학교 일반대학원)

지도교수
유동진
발행연도
2019
저작권
전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

초록· 키워드

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The efforts to reduce dependence on fossil fuels due to the rapid increase in environmental problems and fuel depletion are focused on renewable energy throughout the world. Of the various renewable energies, fuel cells are growing rapidly in recent years due to their high energy efficiency, use of various fuels, and low pollutant emissions. Among them, an alkaline fuel cell (AFC) is a promising resource to replace proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), which is the most commercially available, due to its fast oxygen reduction reaction, low fuel permeability, and use in non-precious metal catalysts. Anion exchange membranes (AEMs), a key component that needs to be developed for rapid commercialization of AFC, must have good physical and chemical properties as well as improved ionic conductivity and outstanding alkaline stability. There are two main problems to be solved for the development of AEM. First, the transfer rate of hydroxide ion is slow due to large volume compared to proton and does not provide sufficient phase separation to connect ion channel between hydrophilic and hydrophobic blocks. Secondly, functional groups on AEM such as quaternary ammonium group can easily degrade by OH- attack and show very low durability under alkaline conditions. Therefore, in order to solve the above two problems, various researches have been carried out in this study.
Chapter 1 briefly introduces renewable energy and fuel cells, and shows the principles, advantages, disadvantages, and components of AFC.
Chapter 2 presents AEMs, which are a key material of AFC components, with various structures(main chain and funtional gorups) that can have excellent alkaline stability and electrochemical performance.
Chapter 3 describes the synthesis of partially fluorinated multi-block copolymers containing quaternary ammonium groups for improved ionic conductivity. In this study, the ionic conductivity, physical properties, and the alkaline stability test according to length of hydrophilic precursors and hydrophobic oligomers were investigated in details. The prepared AEM showed a high ionic conductivity of 154 mS cm-1 but presented an unstable dimensional change with a very high water content of over 300%. As mentioned above, high IEC value caused excessive swelling in the membrane, which resulted in poor alkaline stability against OH-.
Chapter 4 investigates a series of heterocyclic-quaternary ammonium type poly(arylene ether) (PAE) random copolymers with moieties of sulfone, ketone, hexafluoroisopropyl, isopropyl, phenolphthalein, or phenylene to identify differences in physicochemical properties of AEM due to polymer backbone structure with electron-withdrawing groups (EWGs) or electron-donating groups (EDGs). The 1-methylpyrrolidine (PYR)-PAE membranes containing EDG exhibited excellent electrochemical performance as well as alkaline stability, compared with PYR-PAE membranes with EWG. Especially, PYR-PAE-phenolphthalien (PhPh) membrane exhibited excellent alkaline stability due to a steric hindrance effect of phenolphthalein, which is a cardo compound having a complete aromatic structure and a large free volume.
Chapter 5 reports organic/inorganic composite membrane using PAE random copolymer and GO-triethoxysilylpropylamine (APTS)-co-(3-bromopropyl)trimethyl ammonium bromide (PTMA) (0.1, 0.3, 0.5, 0.7, and 0.9 wt%) to improve ionic conductivity and chemical stability. The ionic conductivity of the composite membrane showed a tendency to improve up to 0.7 wt%, but it decreased again from 0.9 wt%, because obstruct the ion cluster due to agglomeration by the amphipathic property of the GO-APTS-co-PTMA. Prepared composite membranes have proven to be very promising materials for the development of AEM by demonstrating the improvement of ionic conductivity as well as proper dimensional stability and alkaline stability through the introduction of functionalized GO.
As a result, various chemical structure designs and introduction of inorganic in AEM were carried out to develop AEM with improved electrochemical performance and excellent alkaline stability. The polymer structure with proper physical properties and ionic conductivity was confirmed by proceeding the synthesis of block copolymer according to repeat units of hydrophilic/hydrophobic oligomers. The difference in electrochemical performance and alkaline stability was proved according to the structure of the main chain. It was also concluded that the introduction of functionalized inorganic materials with appropriate proportions lead to improved electrochemical performance and chemical stability for rapid commercialization of AEM.

목차

제 1장. 서 론 1
1. 1. 연료전지 1
1. 1. 1. 신재생 에너지 1
1. 1. 2. 연료전지 3
1. 2. 알칼라인 연료전지 7
1. 2. 1. 알칼라인 연료전지의 장점 7
1. 2. 2. 알칼라인 연료전지의 작동 원리 8
1. 2. 3. 알칼라인 연료전지의 문제점 13
제 2장. 연구배경 15
2. 1. 음이온 교환 막 18
2. 2. 음이온 교환 막 구조에 따른 화학적 안정성 25
2. 2. 1. 양이온 그룹에 효과 25
2. 2. 2. 주 사슬 구조에 의한 음이온 교환 막의 안정성 25
2. 2. 3. 양이온 안정성에 대한 사슬 구조에 영향 26
2. 2. 4. 입체 장애에 효과 31
제 3장. 향상된 물리화학적 안정성 및 높은 이온전달을 갖는 음이온 교환 막을 위한 불소화 소수성을 함유한 폴리(아릴렌 이써 술폰) 블록공중합체 35
3. 1. 서 론 35
3. 2. 실 험 38
3. 2. 1. 시약 및 재료 38
3. 2. 2. 폴리(아릴렌 설폰)(PAS) 친수성 전구체에 합성 38
3. 2. 3. 불소화된 폴리(아릴렌 이써)(PAE) 소수성 고분자의 합성 39
3. 2. 4. PAES 블록공중합체의 합성 39
3. 2. 5. PAES 블록공중합체에 클로로 메틸화 반응 40
3. 2. 6. 막에 제조 및 4차화 반응 43
3. 3. 특성분석 45
3. 4. 결과 및 고찰 47
3. 4. 1. PAS, PAE, 및 PAES 고분자에 합성 및 특성분석 47
3. 4. 2. CM-PAES 및 QN-PAES의 합성 및 특성분석 54
3. 4. 3. 열적 특성 59
3. 4. 4. 기계적 강도 61
3. 4. 5. 물 합습률, IEC, 및 치수변화 63
3. 4. 6. 형태학 분석 67
3. 4. 7. 이온 전도도 및 활성화 에너지 71
3. 4. 8. 알칼라인 안정성 75
3. 4. 9. 단위 셀 성능평가 78
3. 5. 결 론 80
제 4장. 알칼라인 연료전지용 다른 단위체를 포함하는 폴리(아릴렌 이써) 랜덤공중합체의 화학적 안정성에 대한 연구 81
4. 1. 서 론 81
4. 2. 실 험 83
4. 2. 1. 시약 및 재료 83
4. 2. 2. 다른 단위체를 갖는 PAE 랜덤공중합체에 합성 84
4. 2. 3. PAE 랜덤공중합체에 클로로메틸화 반응 85
4. 2. 4. 4차 암모늄 그룹에 도입과 막의 제조 85
4. 3. 특성분석 87
4. 4. 결과 및 고찰 90
4. 4. 1. 고분자들에 합성 및 특성분석 90
4. 4. 2. 형태학 분석 96
4. 4. 3. IEC, 물 함습률, 치수변화, 수화수, 결합 분자 수 및 비 결합 분자 수 100
4. 4. 4. 열적/기계적 특성 102
4. 4. 5. 이온 전도도 105
4. 4. 6. 산화 안정성 109
4. 4. 7. 알칼라인 안정성 111
4. 4. 8. 단위 셀 평가 116
4. 5. 결 론 118
제 5장. 작용기화 된 GO를 통한 밀집된 이온 클러스터 형성을 갖는 음이온 교환 막의 개발 119
5. 1. 서 론 119
5. 2. 실 험 121
5. 2. 1. 시약 및 재료 121
5. 2. 2. 폴리(아릴렌 이써)(PAE) 랜덤공중합체의 합성 121
5. 2. 3. PAE 랜덤공중합체의 클로로 메틸화 반응 123
5. 2. 4. Graphene oxide(GO), GO-APTS, 그리고 GO-APTS-co-PTMA의 합성 124
5. 2. 5. 막의 제조 및 4차화 반응 127
5. 3. 특성분석 130
5. 4. 결과 및 고찰 132
5. 4. 1. PAE 및 CM-PAE의 구조분석 132
5. 4. 2. 무기물의 구조분석 134
5. 4. 3. 무기물의 FE-SEM 분석 138
5. 4. 4. 열적 특성 140
5. 4. 5. 형태학 분석 143
5. 4. 6. 기계적 강도 145
5. 4. 7. IEC, 물 함습률, 및 치수변화 147
5. 4. 8. 이온 전도도 및 활성화 에너지 150
5. 4. 9. 알칼라인 안정성 153
5. 5. 결 론 155
제 6장. 결 론 156
참 고 문 헌 158

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