중온 저 가습에서 내구성을 향상시킨 고분자 전해질 연료전지용 자가 가습 MEA 개발 :Study of a Highly Durable Self-Humidifying MEA for intermediate temperature, low humidity operation

김은영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김은영 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 최호석

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2016

중온 저 가습에서 내구성을 향상시킨 고분자 전해질 연료전지용 자가 가습 MEA 개발

김은영 바이오응용화학과 2016.01 학위논문

2015

저 가습에서 유리한 고분자 전해질 연료전지용 자가 가습 전극 개발

김은영 , 임성대 , 배병찬 외 3명 신·재생에너지 2015.12 학술저널

2014

중온 저가습 고분자 연료전지 운전에서 자가가습 MEA의 내구성을 향상시키는 방안에 대한 연구

김은영 , 박석희 , 양태현 외 1명 한국신·재생에너지학회 학술대회 초록집 2014.11 학술대회자료

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Water management in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) is a significant role in preventing excessive water in the electrodes. It interrupts to flow the reactant gases and finally leads to significant performance loss. Also, low levels of water in the electrode result in an increase in ohmic resistance due to membrane drying at low humidity levels. In this study, a self-humidifying electrode is prepared by adding the hydrophilic polymer; polyvinyl alcohol (PVA) to the catalyst layer. Also, glutaraldehyde (GA) is employed as a crosslinking agent for PVA to prevent washing during cell operation. Moreover, non-crosslinked hydroxyl groups of PVA will help to catch the supplied water with reactant gas.
The electrodes having water-absorbing characteristic are appropriate to apply the self-humidifying MEA. A single cell test is conducted at 80 ℃, ambient pressure, and 50% relative humidity. A considerable performance decrease of 41% is observed following a 100 h durability test. However, MEA containing 5 wt% crosslinked PVA demonstrates enhanced durability, with little performance decline after 100 h of constant current operation. This strongly suggests that crosslinked PVA plays a crucial role in a self-humidifying MEA at low humidity levels

1. 서론 1
2. 이론적 배경 6
2.1 연료전지 6
2.1.1 연료전지 배경 6
2.1.2 연료전지 작동 원리 및 종류 7
2.2 고분자 전해질 연료전지 11
2.1.1 고분자 전해질 14
2.2.2 전극 14
2.2.3 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL) 15
2.2.4 막 전극 접합체 (Membrane electrode assembly, MEA) 15
2.2.5 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 16
2.2.6 스택 17
2.3 연료전지의 물 관리 18
2.3.1 GDL 에서의 물 이동 20
2.3.2 전해질 막에서의 물과 이온의 이동 20
2.3.3 전극에서의 물 이동 23
3. 실험 24
3.1.1 PVA 함량 별 MEA 제조 및 성능비교 24
3.1.2 PVA 가교 비율 별 MEA 제조 및 성능비교 24
3.2 PVA와 가교된 PVA의 용해성과 팽창성 27
3.3 전극 특성 분석 27
3.3.1 전극 슬러리 제조 29
3.3.2 전극 친수 특성 31
3.3.3 SEM (scanning electron microscope) 31
3.3.4 FT-IR(Fourier transform infrared spectroscopy) 32
3.4 자가 가습 MEA 제조 32
3.5 연료전지의 전기화학적 평가 34
4. 결과 및 고찰 35
4.1 전극 슬러리 조성 최적화 35
4.1.1 PVA 함량 최적화 35
4.1.2 PVA 가교 최적화 39
4.2 PVA와 가교된 PVA의 물 특성 분석 42
4.3 전극 특성 분석 44
4.3.1 전극 친수 특성 44
4.3.1.1 접촉각 측정 44
4.3.1.2 함수율 측정 47
4.3.3 SEM 이미지 분석 49
4.3.4 FT-IR 분석 52
4.3 단위전지 성능평가 54
4.3.1 RH 100에서의 성능비교 56
4.3.2 RH50 에서의 성능비교 56
4.3.3 저 가습에서 내구성 비교 58
5. 결론 65

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