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In-situ 졸-겔 법을 이용한 저가습 작동용 수소 이온 교환막 연료전지용(PEMFC) 나피온/TiO<sub>2</sub> 복합막
최범석 ( Beomseok Choi ),고영돈 ( Youngdon Ko ),김화중 ( Whajung Kim ) 한국공업화학회 2019 공업화학 Vol.30 No.1
저가습 작동을 위한 수소 이온 교환막 연료전지용 Nafion/TiO<sub>2</sub> 복합막을 졸-겔 법을 이용하여 제조하였다. 이때 Nafion 막에 TiO<sub>2</sub> 나노 입자를 함침시키기 위하여 TiO<sub>2</sub> 전구체 용액에 1일부터 7일까지 함침 시간을 달리하여 복합막을 제조 하였다. 담금 시간이 증가할수록 Nafion막 내에 함침되는 TiO<sub>2</sub> 함량이 증가하였다. TiO<sub>2</sub> 함량이 증가함에 따라 막의 표면의 친수성이 증가하면서 접촉각은 감소하는 것을 보여주었다. 물 흡수력(water uptake)과 복합막을 통한 수소 이온 전도도는 담금 시간이 4일인 경우 가장 높게 나타났고 4일 이상인 경우에는 오히려 감소하는 경향을 보여주었다. 담금 시간이 7일인 경우에는 큰 TiO<sub>2</sub> 입자들이 막의 표면과 내부에 생성되어 애노드에서 캐소드로의 수소 이온 전도를 방해하게 되는 결과를 초래하였다. 전지 성능 시험 결과 물 흡수력 및 수소 이온 전도도의 결과와 상당히 일치하는 것을 보여주었다. 즉, 0.6 V에서 담금 시간이 1일, 3일, 4일 및 7일인 경우 전류 밀도가 상대 습도(relative humidity, RH) 40%에서 각각 0.54, 0.6, 0.63 A/㎠ 및 0.49 A/㎠를 나타내었다. Nafion 분산액과 TiO<sub>2</sub> 입자를 혼합하여 제작한 막과 Nafion 115를 이용하여 RH 40%에서 수행한 전지 성능 결과와 비교할 때 졸-겔 법을 이용하여 제조한 복합막의 경우 약 66%의 전지 성능 향상을 얻을 수 있었다. Nafion/TiO<sub>2</sub> composite membranes were prepared via an in-situ sol-gel process with different immersing periods from 1 day to 7 days for the low humidifying proton exchange membrane fuel cell. As the immersing time increased, the TiO<sub>2</sub> content within the Nafion membrane increased. The contact angle decreased with the increased TiO<sub>2</sub> content in the composite membrane due to the increased hydrophilicity. The water uptake and proton conductivity reached to the highest level for 4 day immersing period, then decreased as the immersing period increased. A 7 days of immersing time was shown to be too long because too much TiO<sub>2</sub> aggregates were formed on the membrane surface as well as interior of the membrane, interfering the proton transfer from anode to cathode. Cell performance results were in good agreement with those of the water uptake and proton conductivity; current densities under a relative humidity (RH) of 40% were 0.54, 0.6, 0.63 A/㎠ and 0.49 A/㎠ for the immersing time of 1, 3, 4 and 7 days, respectively at a 0.6 V. The composite membrane prepared via the in-situ sol-gel process exhibited the enhancement in the cell performance under of RH 40% by a maximum of about 66% compared to those of using the recasting composite membrane and Nafion 115.
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