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음이온교환막 연료전지 적용을 위한 고분자 용액의 점도 조절로의 pore-filling 복합막의 두께 및 성능 최적화
손태양,고태호,김기현,남상용 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1
고분자 전해질막 연료전지는 수소와 산소만을 이용하고 부산물로는 에너지와 물만 생성되는 친환경 대체 에너지원이다. 하지만, 현재의 고분자 전해질막 연료전지는 양이온교환막을 사용하여 산성분위기에서 구동되기 때문에 백금촉매를 이용해야 하는 단점이 있을 뿐만 아니라 핵심부품인 양이온교환막은 현재 미국 듀폰사의 나피온의 비싼 가격이 문제가 되고 있다. 이에 반해 음이온교환막 연료전지의 경우 알칼리 분위기에서 구동되는 비귀금속촉매 사용이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 아직까지 연료전지의 높은 성능을 구현하기 위해서는 높은 이온전도특성이 요구되는데 이는 낮은 기계적 물성을 초래한다. 따라서 이온전도특성의 향상과 기계적 물성이 동시에 향상되어야 한다. 이를 위해서 pore-filling 방법으로 다공성 지지체로 복합막을 제조하는데, 기공 사이에 음이온교환 고분자 용액의 충진과 지지체로 인한 두께 증가의 문제점이 발생한다. 본 연구는 위 문제점을 해결하기 위해서 음이온교환 고분자 용액에 첨가제를 이용하여 점도를 낮추어 다공성 지지체로 함침이 잘 이루어지게하고 두께 또한 최적화되는 방법에 대해 알아보았다.
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용해성이 우수한 PEEK 고분자계 음이온교환 고분자 합성 및 음이온교환막 연료전지용 전해질막 제조 및 특성평가
손태양,고태호,남상용 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1
음이온교환막 연료전지 시스템은 기존의 고분자전해질막 연료전지와 다르게 알칼리 조건에서 구동되어 비귀금속계 촉매가 사용이 가능하여 주목을 받고 있다. 음이온교환막 연료전지에서 하이드록사이드 이온을 전달하는 음이온교환막은 핵심부품이며, 음이온교환막은 우수한 성능을 위해서는 높은 이온전도특성이 요구되는 데 이때 높은 이온전도특성은 기계적 물성의 약화라는 문제가 양존한다. 그렇기에 음이온교환막은 물리적, 전기화학적으로나 동시에 우수한 특성이 요구된다. 본 연구는 이러한 이유로 엔지니어링 플라스틱인 폴리에테르에테르케톤 고분자를 주쇄로 선정하였고, 이미다졸륨 그룹을 이온전도 그룹으로 선정하였다. 하지만, 상업용 폴리에테르에테르케톤 고분자는 용해성이 좋지 않은 문제점이 있다. 이에 이미다졸륨 그룹을 도입한 단량체를 축합중합을 통해 용해성이 우수한 탄화수소계 고분자로 중합하였다. 자세히 이미다졸륨 그룹의 함량을 조절하여 서로 다른 합성고분자를 제조하였으며 합성고분자를 이용하여 제막하여 음이온교환막을 제조한 후, 음이온교환막 연료전지로의 적용이 가능한지 확인하기 위하여 다양한 특성평가를 진행하였다.
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용해성을 향상시킨 폴리에테르에테르케톤 고분자 합성과 이미다졸륨 도입을 통한 음이온교환막 연료전지용 음이온교환막 제조 및 특성평가
손태양,고태호,남상용 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.0
고분자전해질막 연료전지 중 알칼리 조건에서 구동되어 비귀금속계 촉매가 사용이 가능한 음이온교환막 연료전지가 친환경에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 음이온교환막연료전지에서 음이온교환막은 하이드록사이드 이온을 전달하는 부분으로 시스템 중 핵심부품이다. 그렇기 때문에 음이온교환막 연료전지에서의 음이온교환막은 물리적ㆍ전기화학적으로 우수한 특성이 요구된다. 이러한 이유로 상업용 폴리에테르에테르케톤 고분자에 비하여 용해성을 향상시킨 폴리에테르에테르 케톤계 탄화수소 고분자를 합성하였고, 이 고분자를 이용하여 음이온교환막을 제조하였다. 자세히, 축합중합을 통해 합성된 폴리에테르에테르 케톤에 이미다졸륨 그룹을 도입하였고, 당량을 조절하여 치환도가 서로 다른 합성고분자를 제조하였다. 그리고 합성고분자를 이용하여 제막하여 음이온교환막을 제조한 후, 다양한 특성평가를 진행하였다. 그리고 음이온교환막 연료전지에 적용 가능한지 확인하는 연구를 진행하였다.
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직접공중합을 이용하여 합성된 음이온교환 엔지니어링 고분자와 이를 이용한 음이온교환막 제조 및 연료전지 평가
손태양,( Vijayalekshmi Vijayakumar ),남상용 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-
음이온교환막 연료전지에서 사용되는 대부분의 음이온교환막은 클로로메틸화 같은 할로젠화 반응을 먼저 진행한 후, 음이온교환그룹을 도입한다. 하지만, 할로젠화 반응에서 과반응으로 인한 가교가 많이 발생하고 겔화 등으로 가공이 어려운 문제점이 있다. 이뿐만 아니라 음이온교환막 연료전지에서 사용되는 음이온교환 고분자 전해질막은 우수한 이온전도도와 동시에 기계적·화학적 안정성이 요구된다. 하지만, 우수한 이온전도도와 안정된 기계적·화학적 안정성은 트레이드오프(trade-off)관계에 놓여있기 때문에 동시에 만족시키기 어려울 수 있다. 따라서, 본 연구는 위에서 언급한 문제점을 해결할 수 있는 방안 제시로써 단량체 상태에서 이미다졸륨 그룹을 도입하고 직접공중합하여 엔니지어링 고분자인 폴리에테르에테르케톤 고분자를 합성하였다. 이미다졸륨 그룹이 도입된 단량체의 당량을 조절하여 서로 다른 치환도를 가진 고분자를 제조하였으며, 이를 이용하여 음이온교환막을 제조한 후, 연료전지용 음이온교환 전해질막으로써 가능성이 있는지 확인할 수 있는 여러 가지 특성평가를 진행하였다.
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친수화 첨가제를 통하여 다공성 지지체에 함침이 용이하게 이루어진 음이온교환막 제조 방법 및 특성평가
손태양,고태호,( Vijayalekshmi Vijayakumar ),김기현,남상용 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-
연료전지는 화석연료를 대체할 친환경 에너지원이며, 특히 고분자 전해질막을 사용하는 고분자 전해질막 연료전지가 최근 활발히 연구가 이루어지고 있다. 현재 고분자 전해질막 연료전지의 경우 듀폰사에서 제조되고 있는 나피온의 성능이 가장 최적화되어있다고 알려 있지만, 나피온과 같은 양이온교환막은 분리막 가격과 동시에 산성분위기로 인한 백금촉매 사용으로 비싼 가격의 문제가 있다. 이에 반해 음이온교환막을 사용하게 된다면 알칼리 분위기에서의 비귀금속촉매 사용이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 음이온교환막의 경우, 양이온교환막 만큼의 높은 성능을 구현하기 위해서는 극복해야할 부분이 많은데, 그 중 높은 이온전도특성과 동시에 안정적인 기계적·화학적 안정성이 필요하다. 이를 위해서 여러 가지 방법으로 연구되지만, 그 중에서도 기공충진막이 있다. 하지만, 충진 시 발생하는 여러 가지 문제점이 있어 최적화하는 것이 중요하다. 따라서, 본 연구는 음이온교환 고분자 용액에 친수화 첨가제를 이용하여 다공성 지지체에 대한 젖음성을 최적화하여 함침이 잘 이루어진 음이온교환막을 제조를 하고 이를 연료전지 시스템에 적용하고자 하였다.
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Polypropylene(PP) 지지체를 이용한 전기투석용 음이온교환막의 합성 및 특성
문혜진,송푸름,장봉준,홍성권 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.1
Electrodialysis(ED) 공정은 이온교환막을 통한 이온의 선택적인 전기적 이동에 기초한 공정으로 화학원료 사용감소와 동시에 환경오염의 저감효과를 얻을 수 있는 청정기술로 세계적인 주목을 받고 있다. 그러나 균질계 이온교환막의 경우 제조기술이 어려워 현재 전량 수입에 의존하고 있어 고효율 이온교환막의 개발 및 국산화가 시급한 실정이다. 따라서 높은 이온교환용량, 낮은 전기저항, 우수한 기계적 강도를 갖는 고효율 이온교환막을 개발하기 위해 Polypropylene(PP) 지지체를 사용하여 이온교환막을 합성하였다. 단량체인 Vinylbenzyl chloride(VBC), Styrene(St)과 가교제 Divinylbenzene(DVB), 개시제 Benzoyl peroxide (BPO)를 녹인 단량체 용액을 지지체에 스며들게 하여 열중합 가교시킨 후Trimethylamine(TMA)을 이용하여 음이온 교환기를 도입하여 음이온 교환 복합막을 합성하고 전기화학적 특성을 평가하였다.
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친수화된 SEBS계 고분자 전열 교환막 제조 및 전열 교환 시스템 적용을 위한 투습도 특성평가
고태호,손태양,남상용 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1
실내 환경은 일상생활에서 중요한 부분이고 쾌적한 실내 환경을 유지하기 위해서 전열 교환 시스템이 주목받고 있다. 전열 교환 시스템은 에너지를 소비하여 실내의 온도 및 습도 등을 조절하여 쾌적한 환경을 유지할 수 있는 시스템이다. 하지만, 에너지가 많이 소요되는 단점을 갖고 있어서 최근 분리막을 이용한 시스템이 연구가 되고 있다. 전열 교환 시스템 온도 및 습도 조절에 대한 역할은 전열 교환막이 하게 되며 이에 따라서, 전열 교환막은 충분한 기계적 및 화학적 특성이 요구되고 있다. 본 연구에서는 전열 교환 시스템에서 사용될 수 있는 전열 교환막을 제조하였다. 전열 교환막은 poly(styrene-ethylene-butylene-styrene)계 고분자가 사용 되었고, 4차 암모늄 그룹을 도입하여 친수화 과정을 진행하였다. 이 후, 제조된 전열 교환막의 친수화 과정 후 변화된 특성을 확인하기 위해 이온 교환 용량, 함수율, 기계적 강도 및 투습도 특성평가를 진행하였다.
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양면 패턴형 음이온 교환막을 통한 고성능 연료전지 구현
허민,김성준,성영은,장정환 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.0
음이온 교환막 연료전지는 양성자 교환막 연료전지와 비교하여 알칼리 조건에서 반응이 일어나기 때문에 산소 환원 반응의 활성이 높아 비싼 백금 촉매의 가격 절감 차원에서 많은 연구가 이루어지고 있다. 다만, 산화극에서는 물이 생성되고 환원극에서는 물이 소모되는 현상 때문에 이러한 물을 효과적으로 관리하는 것이 성능 증가에 있어서 매우 중요하다. 이번 연구에서는 solvent-assited molding 방법을 이용하여 상용막인 FuMA-Tech사의 음이온 교환막에 라인 패턴을 단면 혹은 양면에 엇갈린 방향으로 형성하였다. 패터닝을 통해서 한계 전류 밀도가 크게 증가하였고, 오믹 저항이 감소하고 물의 역확산이 향상된 결과를 보였다. 산화극에서는 계면의 증가에 의한 물의 이동의 향상, 환원극에서는 계면의 증가에 의한 촉매 활용률의 증가로 인하여 막-전극 접합체를 제작하여 단일 셀에 적용하였을 때 0.9W/cm2이라는 높은 성능을 나타내었다.
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음이온 교환 고분자 전해질 기반 막-전극접합체의 전극 최적화
김성준,허민,김용민,이성범,조용훈,성영은 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.0
최근 비 백금 촉매의 사용 가능성으로 인해 음이온 교환 막을 이용하는 알칼리 막연료전지가 큰 주목을 받고 있다. 현재, 대부분의 음이온 교환 막 및 이오노머는 탄화수소 계열의 고분자를 이용하며, 이들 고분자 전해질은 나피온(Nafion)과 같은 PFSA-계열 고분자에 비해 낮은 소수성을 지녀 water channel 의 발달 및 기체 확산도 특성이 비교적 낮은 특성을 보인다. 이러한 특성으로 알칼리 막 연료전지의 성능 향상을 위해 전극층의 최적화는 매우 중요하다. 본 연구는 대표적으로 이용되는 사용 음이온 교환 고분자 전해질인 Fumatech 사의 FAA-3 solution 을 알칼리막 연료전지의 ionomer 및 membrane 을 이용하여 전극 층을 구성하는 촉매의 종류, 이오노머 함량, 촉매 담지량, 잉크 조성등 변화시켜 가며 전극 구조와 함께 전기화학적 특성을 관찰한 결과를 보고하며, 그 원인에 대해 분석한다.
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음이온 교환막 연료전지(AEMFC)의 성능에 미치는 작용기 효과
박치훈,김태현,남상용 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0
음이온 교환막 연료전지는 기존의 산성작용기를 갖는 양이온교환막 연료전지와 달이 염기성 분위기에서 운전되기 때문에, 금속의 부식 문제가 해결될 수 있어서 비 귀금속 계열의 촉매를 사용할 수 있고, 분리판 등의 구성 부품으로 금속 재질의 사용이 가능하여 전체 연료전지 시스템의 가격 및 무게를 크게 감소시킬 수 있는 강점을 가지고 있다. 이때, 음이온 교환막에 있어서 고분자 구조내에 도입된 작용기는 수화채널을 형성하고OH- 이온이 전달될 수 있도록 하는 중요한 역할을 하게 되는데, 따라서 도입된 작용기의 구조에 따라 이온전도도 등의 성능과 화학적 안정성이 달라지게 된다. 본 연구에서는 분자동역학 기술을 사용하여, 이러한 음이온 교환막의 작용기가 성능 및 안정성에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 이를 위하여, 가장 널리 사용되고 있는 음이온 교환 작용기인 암모늄 그룹 이외에 추가로 3 종류의 서로 다른 작용기를 갖는 고분자 모델을 제작하여, 분자동역학 연구를 수행하였다.
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