고온-저가습 고분자 전해질 연료전지를 위한 실리카 함침 SPAES 복합막의 수소이온 전도성 연구
A study on proton conductivity under high temperature and low-humidified conditions of SiO2 impregnated sulfonated poly(arylene ether sulfone) membranes
- 주제(키워드) 수소이온 전도도 , 유-무기 복합막
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김성현
- 지도교수 최영우
- 발행년도 2012
- 학위수여년월 2012. 8
- 학위구분 석사
- 학과 일반대학원 화공생명공학과
- 세부전공 화공생명공학전공
- 원문페이지 69 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000034716
- 본문언어 한국어
- 제출원본 000045718725
초록/요약
연료전지를 자동차 등 적용, 응용하기 위해서는 연료 전지의 정상적인 작동을 위한 Cathode에 50% 가습된 공기 공급을 이용한다. 이는 셀 시스템 관점으로 봤을 때 플랜트 (BOPs)의 밸런스는 가습 장치로 인해 시스템이 복잡하고 무겁기 때문에 전체적으로 중량감소와 부피의 최소화가 되어야 하는 과제를 가지고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 낮은 가습 조건에서도 높은 수소이온 전도성을 가진 수소이온 교환 막 개발 이 중요시 되고 있다. 또한 고온 저가습 조건에서도 더 많은 물을 함유 할 수 있도록 탄화수소계 고분자인 SPAES에 높은 수화력을 갖는 SiO2를 함침하여 복합 막을 연구하였다. 두 종류의 SiO2를 이용하여 SiO2 파우더 (SiO2-A)와 Thiol 작용기를 갖는 SiO2 (SiO2-B)복합 막들을 제조하였다. 이렇게 제조된 두 복합 막의 특성을 확인하기 위해 수소이온 전도도, 함수율, 이온교환용량, TGA, DSC, SAXs 분석을 실시하였다. 그 결과로 상온, 완전 가습에서는 두 가지의 복합 막보다 순수한 SPAES이 이온 전도도가 좋았으나 120℃, 50% 이하 가습조건에서는 SiO2-B 복합 막의 이온 전도율이 현저히 더 좋게 나타났다. 더욱이 순수한 SPAES 막 보다도 이온 전도율이 높은 결과를 보여주었다. 이처럼 Thiol 작용기를 갖는 SiO2 (SiO2-B)복합 막이 고온, 50% 이하 가습 조건에서의 연료전지 고분자 전해질 막으로 적합하다고 보여진다.
more초록/요약
In this study two different types of silica oxide were prepared as filler in sulfonated polymers for fuel cell applications operated under water deficient environment. SiO2 nano particle and thiol embedded SiO2 particles mechanically mixed with sulfonated poly (arylene ether sulfone) solutions, and then the mixtures were cast to prepare composite membranes. The composite membranes with different amount of SiO2 were prepared to investigate the effect of two types of SiO2 particles on ionic conductivity with relative humidity at 120℃. In addition, ion exchange capacity, water uptake, thermo-gravitational analysis, differential scanning calorimetry, small angle x-ray scattering were studied. As results, the composite membranes containing thiol embedded SiO2 showed the better water-channel forming ability at low relative humidity less than 50% relative humidity in this study. Under full hydration of the composite membranes, the composite membranes containing pure SiO2 particles have higher ionic conductivity since the SiO2-B (thiol embedded SiO2) might cause steric hindrance to make water channel well connected. Thus, below 50% relative humidity, the composite membranes containing 10wt% of SiO2-B (thiol embedded SiO2) showed the best ionic conductivity. It is very promising for polymer electrolyte fuel cells operated normally under 50% relative humidity at cathode.
more목차
1. 서 론 1
2. 이론적 고찰 3
2.1. 연료전지의 개요 3
2.2. 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) 5
2.2.1. 원리 및 반응 5
2.2.2. 고분자 전해질 막의 종류와 특성 7
2.2.2.1. 과불소계 고분자 전해질 막 7
2.2.2.2. 탄화수소계 고분자 전해질 막 10
2.2.2.3. Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) 고분자 전해질 막 12
2.3. 고온용 고분자 전해질 연료전지 15
3. 실험 장치 및 방법 20
3.1. 술폰화 당량체 합성 20
3.2. 축합중합 방법에 의한 SPAES 합성 20
3.3. 나노 사이즈 SiO2 준비 22
3.4. 유-무기 복합 막 제조 22
3.4.1. SiO2 파우더가 고분산된 복합 막 제조 22
3.4.2. Thiol 작용기를 갖는 SiO2가 함침된 복합 막 제조 22
3.5. 분석 및 평가 25
3.5.1. 1H-NMR 분석 25
3.5.2. 수소이온 전도도 (Proton Conductivity) 25
3.5.3. 이온교환용량(IEC) 25
3.5.4. 함수율 (Water Uptake) 26
3.5.5. 시차주사 열량계 (DSC analysis) 26
3.5.6. 열중량 분석기 (TG analysis) 27
3.5.7. X-선 소각 산란법 (SAXs analysis) 27
4. 결과 및 고찰 29
4.1. 1H NMR 분석 29
4.2. 수소이온 전도도, 함수율, 이온교환용량, SEM 29
4.3. 고온 수소이온 전도도 37
4.4. 열중량 분석기 (TG analysis) 42
4.5. 시차주사 열량계 (DSC analysis) 46
4.6. X-선 소각 산란법 (SAXs analysis) 51
5. 결 론 55
