본 연구의 노후화에 따른 고분자전해질막의 기계적 특성 연구에 사용된 고분자전해질막은 2008년(13년차)과 2021년(0년차)에 구매한 나피온 117을 사용하였다. 본 실험에 사용된 고분자전해질막인 나피온 117은 당량 1,100과 막의 두께 0.183 mm로 0년차 고분자 전해질막은 구매 후 곧바로 인장시험에 사용되었으며 13년차 고분자전해질막은 양면에 보호필름이 부착되어 온도(상온)와 습도, 빛이 들어오지 않는 실험실 보관장에 보관된 것을 사용하였다.

Fig. 1은 고분자전해질막의 기계적 특성을 확인하기 위한 인장시험용 시험편의 형상을 보여주고 있다.

Fig. 1. 
Tensile test specimen for polymer electrolyte membrane

Table 1은 고분자전해질막의 기계적 특성을 확인하기 위한 인장시험용 시험편을 위한 제원이다. 고분자전해질막용 인장시험용 시험편은 KS M ISO 527-3(2011)의 규격을 참고하였으며, 폭 15 mm, 길이 150 mm로 제작하였다.

아울러 나피온은 PTFE 계열로 매우 낮은 마찰계수를 가지고 있으므로 인장시험 중에 발생할 수 있는 미끄럼을 방지하고자 게이지 길이는 규격의 최소 길이인 50 mm로 제작하였다^8-10).

Fig. 2는 고분자전해질막의 기계적 특성을 시험하기 위해 본 연구에서 사용한 인장시험장치(5900 Series Universal Testing System, INSTRON, Norwood, MA, USA)이다. 인장시험은 온도 23±2°C, 습도 50±10%의 환경에서 수행하였으며, 인장시험편에 인장속도 5 mm/min을 적용하여 시험을 수행하였다.

Fig. 2. 
Tensile testing apparatus for specimens of polymer electrolyte membrane

Fig. 3은 0년차 고분자전해질막과 13년차 고분자전해질막의 기계적 특성을 알 수 있는 인장시험의 결과를 타나내고 있으며, Fig. 4는 Fig. 3의 인장시험결과에서 탄성영역만을 보여주고 있다.

Fig. 3. 
Mechanical property of 0th and 13th years old polymer electrolyte membrane

Fig. 4. 
Mechanical property on the elastic regions of the 0th and 13th years old polymer electrolyte membrane

인장시험의 결과로, 탄성영역은 0년차와 13년차 고분자전해질막 모두 연신율이 3%인 변형률 0.03 mm/mm까지로 일치하였으며, 이후 소성영역 나타난다는 것을 알 수 있다.

그러나 Fig. 4에 나타낸 0년차와 13년차의 인장시험의 탄성영역에 대한 결과에서 알 수 있듯이, 노후화가 진행된 13년차의 고분자전해질막이 0년차의 고분자전해질막과 비교하여 탄성계수가 4.34% 정도 감소하였다는 것을 알 수 있다.

소성영역에서의 경우, 13년차 고분자전해질막은 0년차 고분자전해질막과 비교하여 변형률 0.5 mm/mm, 1 mm/mm, 1.5 mm/mm, 2 mm/mm에서 각각 10.41%, 20.52%, 24.69%, 26.57%로 응력이 감소된 것을 알 수 있었다.

아울러 노후화된 13년차 고분자전해질막은 0년차 고분자전해질막과 비교하여 9.84% 높은 변형률에서 파단이 발생하였으나 파단응력은 14.30% 낮아 13년차 고분자전해질막은 0년차에 비해 인장강도가 크게 감소한 것을 확인하였다.

0년차와 13년차 고분자전해질막의 기계적 특성 의 결과를 이용하여 노후화 진행의 정도를 알 수 없는 고분자전해질막의 노후화 기간과 그에 따른 기계적 특성 변화를 예측하기 위한 모델에 관한 연구가 필요하다.

Figs. 3, 4를 통하여 고분자전해질막은 노후화 연차가 증가할수록 탄성영역과 소성영역에서 인장강도가 감소한다는 것을 확인할 수 있었고, 아울러 고분자전해질막의 파단 시의 연신율은 노후화된 연차가 증가할수록 증가된다는 것을 알 수 있었다. 즉, 본 연구에서 수행한 고분자전해질막의 노후화 연차별 기계적 특성의 분석을 통하여 고분자전해질막의 인장시험을 이용하여 노후화된 연차 등을 추정할 수 있다고 생각할 수 있다.

또한 유추된 특정 연차의 고분자전해질막의 응력-변형률의 관계를 이용하여 발생하는 응력과 파단 시점은 추가적인 노후화 시험편들을 통한 신뢰성의 확인이 필요하지만, 식(1) ~ 식(3)과 같은 예측식을 유도하여 보았다.

다음과 같이 유도된 식(1)을 이용하여 탄성영역 내에서 특정 연차의 변형률을 통해 응력을 유추할 수 있다. 1차 방정식의 형태로 나타나는 탄성영역은 노후화 연차 Y와 변형률 ϵ_lin을 통해 발생하는 응력 σ_lin을 확인할 수 있다.

다음과 같이 유도된 식(2)를 이용하여 소성영역 내에서 특정 연차의 변형률을 통해 응력을 유추할 수 있다. 1차 방정식인 식(1)의 탄성영역과는 달리 2차 방정식으로 나타나는 소성영역은 노후화 연차 Y와 변형률 ϵ_non을 통해 발생하는 응력 σ_non을 확인할 수 있다.

다음과 같이 유도된 식(3)을 이용하여 파단이 발생하는 변형률 ϵ_fail을 확인할 수 있으며 파단이 발생하는 응력은 식(2)를 통해 확인할 수 있다.

추가적인 시험편을 통한 신뢰성 검증이 필요하지만, 이상의 결과를 통하여, 인장시험의 결과를 이용하여 고분자전해질막의 노후화 정도를 예측할 수 있다고 생각할 수 있다.