탄소 나노튜브 나노다공성 시트 기반 고분자 전해질막 연료전지의 성능 향상에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs)에서 사용되는 Perfluorosulfonic Acid (PFSA) 계열 멤브레인은 전기화학적 성능과 수명을 결정짓는 중요한 부품 중 하나로 여겨진다. 본 연구는 Direct Spinning 방식을 활용하여 제작된 Carbon Nanotube (CNT) 시트를 (두께: ~30 μm)로 합성했으며, 연료전지 내의 분리판과 Gas Diffusion Layer(GDL) 사이에 삽입했다. 이렇게 제작된 CNT 중간층 PEMFCs 의 전기화학 성능은 3가지 운전 조건에서 온도와 상대습도를 변화하여 수행 및 평가되었다. 분극곡선을 통한 성능은 운전온도 80°C 및 상대습도 100% 조건에서, 기존 Membrane Electrode Assembly (MEA)대비 3.3% 상승한 574 mW/㎠을 보여주었다. 하지만, 온도 상승과 상대습도 감소를 수반한 가혹한 운전 환경(120oC 및 상대습도 25%)에선 108.3% 향상된 276 mW/㎠을 보였다. 이것은 CNT 시트의 나노스케일 기공크기에 기인하는데, 반응물이 균질하게 분산 될 수 있는 환경을 만들어 준다. 그러나 생성물이 액체로 완전히 가습된 80℃에선 물 관리에 제한이 발생했다. 반면, 가혹한 온도와 낮은 상대습도가 수반될 경우, 생성물은 대체로 기체상이다. 따라서 이런 물관리 제한으로부터 자유로워지므로, 더 큰 성능 향상이 얻어진 것으로 판단된다. 추가로 수행된 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)분석을 통해, CNT 시트의 옴저항이 기존 대비 크게 감소된 것을 확인했다. PEMFCs 에서 낮은 옴저항은 좋은 멤브레인 수화 상태를 의미한다. 게다가, CNT 시트의 전기적 물성은 기존 GDL 보다 우위에 있다. 따라서 CNT 중간층을 통해 향상된 멤브레인 수화 상태와 전기 전도도를 바탕으로 성능 향상이 달성되었음을 확인했다.