탄화수소의 입체효과를 통한 연료전지 성능 향상

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14001(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 음극 내 산소 확산을 증가시켜 연료전지 성능을 향상시키기 위한 음극 바인더로서 카르도형 플루오레닐기를 갖는 술폰화 폴리(에테르 술폰)(FL-SPES)을 연구하였다. 낮은 이온 교환 용량(IEC)인 1.31 meq g-1의 FL-SPES로 제조된 막전극접합체(MEA)를 사용하여 달성한 최대 전력밀도는 520 mW cm-2로, 이는 2배 이상 높은 수치이다. 유사한 IEC를 갖는 일반적인 비페닐 그룹을 갖는 BP-SPES(210mW cm–2). 1.55 meq g-1의 높은 IEC에서 BP-SPES를 사용하여 얻은 전력 밀도는 454 mW cm-2로 향상되었지만 FL-SPES보다 낮게 유지되었습니다. 또한, IEC, 팽윤도, 비저항은 유사함에도 불구하고 FL-SPES의 기체투과도는 BP-SPES에 비해 약 3배 향상되었다. Cardo형 FL-SPES의 입체 구조는 폴리머 백본 사이의 자유 부피를 증가시켜 가스 전달을 증가시킵니다. 결과적으로, 공기극에서 산소 확산이 촉진되어 연료전지 성능이 향상되었다.

양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 높은 에너지 밀도, 빠른 시동 및 응답 특성, 우수한 내구성으로 인해 차세대 운송, 분산 전원 및 휴대용 에너지원으로 주목받고 있습니다. 대표적인 과불화술폰산(PFSA)인 나피온(Nafion®)은 우수한 화학적, 기계적 안정성과 높은 이온 전도성을 나타내며 촉매-전극 결합제 및 PEMFC용 분리막으로 널리 사용되고 있습니다1,2,3. 그러나 PFSA는 불충분한 열역학적 안정성, 높은 비용, 환경적 위험, 제한된 작동 온도 창과 같은 심각한 단점을 나타냅니다. 따라서 PFSA를 대체할 탄화수소 기반 소재 개발에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다4.

많은 유망한 탄화수소 중합체5,6,7,8,9,10,11 중에서 설폰화 폴리(에테르 설폰)(SPES)은 간단한 합성 방법으로 인해 비용이 저렴하고 밀도가 높고 단단하여 가스 투과성이 낮습니다. 구조로 Nafion6,7,8에 비해 열안정성이 우수합니다. 탄화수소 고분자 전해질을 막으로 사용하는 연구에서는 상당한 진전이 있었지만9,10 탄화수소 고분자는 PFSA보다 낮은 산소 투과도 계수를 나타내기 때문에 촉매층에서 바인더의 역할에 대한 연구는 거의 수행되지 않았습니다13,14 ,15. 음극에서 일어나는 산소환원반응(ORR)은 양극에서 일어나는 수소산화반응(HOR)보다 느리기 때문에 음극에서의 ORR은 분극손실의 주요 원인이자 PEMFC의 전기화학적 반응속도를 조절하는 핵심요소이다. 작업14,15,16. 따라서 양극촉매층에 SPES 바인더를 이용하여 ORR율을 향상시키기 위해 촉매 미세구조 조절을 통한 산소확산 개선, 바인더 로딩 최적화, 인산 첨가, 멀티블록 공중합체를 관능기로 사용하는 등 여러 연구가 진행되어 왔다12 ,13,17,18.

본 연구에서는 평면 구조의 비페닐기(BP-SPES) 대신 카도형 플루오레닐기(FL-SPES)19,20,21와 같은 입체 구조를 유도하여 음극에서 산소 확산을 증가시키는 데 중점을 두었습니다. SPES의 화학 구조에서 자유 부피. 또한 단일 셀 테스트를 수행하고 MEA를 음극 바인더인 BP-SPES 및 FL-SPES와 비교하여 산소 확산이 연료 전지 성능에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다.

BP-SPES(바이페닐 그룹 포함) 및 FL-SPES(플루오레닐 그룹 포함)는 이전에 보고된 대로 각각 4,4'-디하이드록실비페닐(DHBP) 및 9.9-비스(4-하이드록시페닐 플루오렌)(HPFL)과의 중축합을 통해 합성되었습니다4 . 이오노머의 IEC와 같은 구조적 차이와 고유 특성의 효과를 분리하기 위해 BP-SPES와 FL-SPES를 유사한 IEC로 합성하여 그룹화했습니다. 예를 들어, 1.25 ± 0.05 meq g–1의 낮은 IEC를 갖는 이오노머는 그룹화되어 BP1 및 FL1로 표시되는 반면, 1.5 ± 0.05 meq g–1의 높은 IEC를 갖는 이오노머는 BP2 및 FL2로 명명되었습니다. 양극 바인더는 Pt/C(40wt%, Vulcan XC-72, USA), 5wt% Nafion 이오노머 용액, IPA를 적당량의 탈이온수와 혼합하여 제조하였다. 음극 바인더 용액은 Nafion 이오노머를 기준으로 하고 BP1, BP2, FL1, FL2와 같은 BP-SPES 및 FL-SPES 고분자를 양성자화한 후 제조하였다. 또한, Yanjin에서 구입한 상용 설폰화 폴리(에테르설폰)(SPES)을 사용하여 탄화수소막(HCM)을 제조하였다. 이 설폰화 폴리머는 비페닐 그룹을 포함하며 설폰화 정도는 50%입니다. 멤브레인의 두께는 약 47μm로 제작되었으며 이는 상용 Nafion212 멤브레인(약 50μm)과 유사하다. 추가 세부 정보는 보충 정보(SI)에 제공됩니다.