Novel Polymer Membrane Containing Inorganic Nanoparticles for the Polymer electrolyte Membrane Fuel Cells

Inorganic nanoparticles of ZrO_2 - TiO_2 binary oxides with various Zr : Ti molar ratios were synthesized by a sol-gel method and blended with 10 % (w/w) Nafion-water dispersion to prepare composite polymer membranes. All the composite polymer membranes exhibited better water uptake rate than the water uptake rate of the pristine Nafion 112 membrane and increased water uptake rate with increasing TiO_2 content. All the membranes were measured in a single cell with a reaction area of 9 cm^2, and the operating conditions of humidified H_2 / air were 120℃ at 50% relative humidity (RH) and 2 atm. The composite membrane cell with a Zr : Ti ratio of 1:3 (NZT13) showed the best electrochemical properties. This can be explained by the improved physicochemical properties due to moisture content, ion exchange capacity, intermolecular force (δ), and increased tortuosity (τ) during the process of impregnating inorganic nanoparticles into the membrane. The results of this study demonstrate that NZT membranes can replace conventional membranes under high temperature and low humidity conditions. 다양한 Zr:Ti 몰비를 갖는 ZrO2-TiO2 이원 산화물의 무기 나노입자를 졸-겔법으로 합성하고, 이를 10%(w/w) 나피온-물 분산액과 블렌딩하여 복합 고분자막을 제조하였다. 모든 복합 고분자막은 기존 비변형막의 Nafion 112보다 수분흡수율이 더 좋은 것으로 나타났으며 TiO2 함량이 증가함에 따라 수분흡수율이 증가하였다. 모든 멤브레인은 반응 면적이 9 cm2인 단일 셀에서 측정되었으며 가습된 H2/air의 작동 조건은 상대 습도(RH) 50% 및 2 atm에서 120 °C였습니다. Zr:Ti 비율이 1:3 (NZT13)인 복합막 전지가 최고의 전기화학적 특성을 보였다. 이는 수분함량, 이온교환용량, 분자간 힘 (δ)으로 인한 물리화학적 특성향상과 무기나노입자를 멤브레인에 함침하는 과정에서 증가된 비틀림 (τ) 으로 이유를 설명 할 수 있습니다. 이 연구의 결과는 NZT 멤브레인이 고온 및 저습 조건에서 기존 멤브레인을 대체할 수 있음을 보여줍니다.