As the demand for renewable energy continues to increase, grid-scale electricity storage technology is becoming more important to overcome the intermittent and fluctuating nature of the renewable energy sources such as wind, wave and solar. The water electrolysis is considered as a clean and efficient process because it produces hydrogen without carbon emission. In addition, the produced hydrogen is of high purity and can be used to regenerate electricity in a short time and serve as clean transportation fuel for many energy storage devices.Among the various types of water electrolysis, proton-exchange membrane water electrolysis (PEMWE) has attracted interest due to its high efficiency of hydrogen production with high purity. Nafion membrane is widely used as the proton-exchange membrane for PEMWE system. Hydrocarbon-based membranes are attractive candidates to replace the Nafion membrane due to its low gas permeability and high proton conductivity under PEMWE operating conditions. Various hydrocarbon based membranes have been applied to PEMWE, including sulfonated poly(ether ether ketone) (sPEEK), sulfonated poly(arylene ether sulfone) (sPAES), and sulfonated poly(phenylene sulfide) (sPPS). They showed higher performance and lower hydrogen contamination than Nafion membranes due to their superior material properties. However, few studies have been conducted on the durability of hydrocarbon-based PEMWE, and the latest study confirmed that cell failure occurred during long-term operation of more than 60 h. As the duration of operation for PEMWE is required to the range of 50,000 to 100,000 h, the durability of hydrocarbon membrane based PEMWE need to be further developed.In chapter 2, a poly(p-phenylene)-based multiblock polymer with an oligomeric chain extender (CE-sPP-PPES) is presented for improved mechanical stability and extended operating current range. With the introduction of the chain extender, the mechanical and chemical stability are notably enhanced. The effects of ion exchange capacity on mechanical properties, proton conductivity, and hydrogen crossover are investigated compared to a Nafion membrane. The CE-sPP-PPES-based PEMWE has a 2.1 times wider operating current range than a Nafion-based PEMWE due to its smaller overvoltage and lower gas crossover at an optimal ion exchange capacity (IEC), demonstrating the possibility of a new hydrocarbon-based membrane for PEMWE.In chapter 3, a radical-scavenger-embedded interlocking interfacial layer (IIL) is presented to prevent the interfacial delamination. The ball-socket joint structure of the IIL imparts mechanical interlocking and the CeO$_2$ radical scavenger included in the IIL prevents the hydrothermal chemical degradation of IIL. The CeO$_2$-containing IIL-based PEMWE achieves more than 500 h operation at a voltage increase rate of 65 μV h$^{-1}$ which is much lower than that of state-of-the-art hydrocarbon-based PEMWE and even comparable to that of Nafion-based PEMWE (63 μV h$^{-1}$).
재생 가능 에너지에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 그리드 규모의 전기 저장 기술은 바람, 파도 및 태양과 같은 재생 가능 에너지 원의 간헐적이고 변동적인 특성을 극복하기 위해 더욱 중요 해지고 있다. 물의 전기분해는 탄소 배출없이 수소를 생산하기 때문에 깨끗하고 효율적인 공정이다. 또한 생산 된 수소는 순도가 높아 단시간에 전기를 재생하는 데 사용할 수 있으며 많은 에너지 저장 장치의 청정 수송 연료로 사용할 수 있다.다양한 유형의 물 전기 분해 중에서도 고분자전해질막 수전해시스템은 고순도의 수소 생산에 의해 높은 관심을 끌고 있다. 탄화수소계 기반 멤브레인은 수전해 작동 조건에서 낮은 가스 투과성과 높은 양성자 전도성으로 인해 나피온막을 대체할 수 있는 매력적인 후보이다. sPEEK, sPAES, 및 sPPS를 포함하여 다양한 탄화수소 기반 막이 수전해 시스템에 적용되었다. 그들은 우수한 재료 특성으로 인해 나피온 멤브레인보다 더 높은 성능과 낮은 수소 투과를 보여주었다. 그러나 탄화수소 기반 수전해 시스템의 내구성에 대한 연구는 거의 수행되지 않았으며 최근까지 연구된 수주네서는 60 시간 이상의 장기 구동이 불가능 하다. 수전해 시스템의 구동 시간이 50,000 ~ 100,000 시간으로 요구됨에 따라 탄화수소 막 기반 수전해 시스템의 내구성을 더욱 개발되어야 한다.2 장에서는 개선 된 기계적 안정성과 확장 된 작동 전류 범위를 위해 올리고머 사슬 연장 제 (CE-sPP-PPES)가있는 폴리 페닐 렌 기반 다중 블록 폴리머에 대한 연구가 제시된다. 체인 익스텐더의 도입으로 기계적 및 화학적 안정성이 눈에 띄게 향상되었으며, 기계적 특성, 양성자 전도도 및 수소 투과율을 나피온 막과 비교하였다. CE-sPP-PPES기 적용된 수전해시스템은 최적의 이온 교환 용량에서 더 작은 과전압 및 더 낮은 가스 크로스 오버로 인해 나피온 막 보다 2.1 배 더 넓은 작동 전류 범위를 가지고있어 새로운 탄화수소 멤브레인의 적용 가능성을 제시한다.3 장에서는 계면 탈리를 방지하기 위해 라디칼 스캐빈저가 내장된 계면 강화 층 (IIL)을 제시한다. IIL의 볼-소켓 결합 구조는 계면의 기계적 접착성을 강화시키며 IIL에 포함 된 라디칼 스캐빈저는 IIL의 열수 화학적 분해를 방지한다. 라디칼 스캐빈저가 도입된 계면 강화층은 는 최신 탄화수소 기반 수전해 시스템의 내구성 대비 10배 향상된 내구성을 보였으며 나피온 막 기반 수전해시스템과 비슷한 성능 감소량에 도달하여 500 시간 이상의 장기구동을 달성하였다.
