인산이 도핑된 polybenzimidazole막을 이용한 고온고분자연료전지의 막전극접합체에 관한 연구

Abstract

인산을 전해질로 사용하는 고온고분자 연료전지의 본격적인 상용화를 위해서는 저온PEMFC에 비해 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)의 낮은 성능과 내구성의 개선이 필요하다. 인산이 도핑된 PBI전해질막을 이용하는 연료전지의 성능은 전해질막의 특성과 함께 전극층의 제조조건에 따라 성능이 크게 달라지게 된다. 본 연구에서 인산을 전해질로 사용하는 고온PEMFC의 성능을 향상시키기 위해 촉매층 내 최적의 PTFE바인더 함량을 확인하였고, MEA제작 시 프레스를 가했을 경우 MEA성능변화에 미치는 영향을 관찰하였다. 또한 PBI전해질이 MEA성능변화에 미치는 영향에 대하여 알아보기 위해 PTFE를 바인더로 사용해 제작하는 전극층에 PBI 전해질을 첨가해 MEA성능변화를 관찰했으며, 촉매층내 PBI전해질 첨가에 의한 기공도 감소 및 촉매물질의 뭉침현상을 개선하기 위해 PBI전해질과 촉매가 결합된 구조의 PBI/(Pt/C)촉매물질을 제작하고 이를 촉매층에 첨가한 전극을 개발하여 MEA의 성능을 향상시키는 연구를 진행하였다. 촉매층내 PTFE바인더 함량을 변화시켜 MEA의 성능 및 특성을 분석한 결과 PTFE바인더의 함량이 30 wt.%경우가 전구간에 성능이 높은 것으로 나타났으며, MEA제작 시 프레스에 의한 실험을 통해 PTFE바인더 함량이 30 wt.%일 때 성능과 MEA 내구성이 가장 좋은 것을 확인 할 수 있었다. PBI전해질을 이용한 연구에서 촉매층 제작 시PBI전해질을 용액을 첨가해 제작한 전극의 경우 촉매물질의 분산에 안 좋은 영향을 미치고 이로 인한 촉매층의 기공도가 감소해 MEA의 성능 향상을 가져오지 못했다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 PBI/(Pt/C)구조의 촉매물질을 사용해 제작한 전극의 MEA성능과 촉매층의 특성을 분석한 결과 기공도증가, MEA내 모든 저항 감소, 촉매반응활성도 증가를 보여 줬으며, 성능측정 결과 150℃운전 시0.6V(anode: H2, Cathode: Ari) 500mA/cm2의 높은 성능을 보여 주었으며, 이는 기존 촉매층내 PTFE바인더 함량이 30 wt.%인 전극과 PBI전해질 용액을 첨가하여 제작된 전극을 사용하여 제작된 MEA에비해 각각 32%와 22%의 높은 성능증가를 보여 주었다.