DMFC systems are based on polymer electrolyte in the form of PEMFC. It offers simple and compact design as the methanol is fed directly into the fuel cell. In order to improve the performance of the DMFC, it is necessary to eliminate or, at least, to reduce the loss of fuel cross the cell, usually termed "methanol crossover".
In this thesis, we prepared Nafion/sulfonated poly(aryl ether ketone) composite membrane by blending two materials. The blend ratios of sPAEK and Nafion 117 were 2 : 1, 3 : 1, 5 : 1 and 7 : 1. The objective of this work is reducing methanol crossover and retaining proton conductivity. To reduce methanol crossover, this work focused on the development of the phase separated composite membrane.
Sulfonated poly(aryl ether ketone)(sPAEK) was successfully synthesized. FT-IR data confirmed that the sulfonate group and ketone group were introduced. To check thermal stability, glass transition temperature and decomposition temperature were investigated. They showed sPAEK had good thermal properties. Ion exchange capacity, proton conductivity, methanol permeability and water uptake of sPAEK were also investigated.
The membranes blended by Nafion117 and sPAEK showed phase separated morphology since they were immiscible. Due to the differences of specific gravity, solvent concentration profile and viscosity difference of blend solution, there existed distribution of the Nafion117 domain size as well as the Nafion117 volume fraction along the thickness direction of the blend membranes. Bigger Nafion117 domains were found in positions close to the substrate. The volume fraction of the Nafion117 domain was also higher in the position near the substrate.
Mechanical properties such as stress at break, yield stress, Young's modulus and Elongation at break were observed. The sPAEK had better mechanical properties than Nafion117. The mechanical properties increased with increasing sPAEK content.
Proton conductivity and methanol permeability of the blend membranes were lower than those of Nafion117. The trend of proton conductivity and methanol permeability was similar. Both decreased with decreasing Nafion117 content. The Methanol permeability of sPAEK was lower than that of Nafion117. Therefore, sPAEK took a role as methanol permeation barrier.
Water uptake of the blend membranes had different tendency from proton conductivity and methanol permeability. Water uptake of sPAEK was higher than that of Nafion117. So as the blend ratio was changed from 2:1 to 7:1, water uptake increased.
직접 메탄올 연료전지는 고분자 전해질 연료 전지의 한 형태로 연료인 메탄올이 곧바로 연료전지 속으로 공급되는 아주 간단한 구조를 지니고 있으며. 연료를 높은 화학 에너지를 가지는 메탄올을 사용하기 때문에 높은 효율을 지니며, 연료 수송과 저장에 용이한 장점을 지니고 있다. 그 동안 사용된 고분자 전해질 막은 과불소계 전해질 막인 Nafion이 대표적으로, 높은 수소 이온 전도도를 지니며 열적, 기계적 안정성을 가지고 있다. 하지만 이 막은 메탄올이 쉽게 투과되어 전지의 효율을 떨어뜨리고 연료의 낭비를 가져 오게 되어 직접 메탄올 연료 전지용으로는 사용하기 힘든 실정이다.
본 연구에서는, 메탄올 투과도를 낮추고 수소이온 전도도를 높이기 위해 Nafion과 술폰화된 poly(aryl ether ketone) 복합막을 블렌드 비율을 달리하면서- 블렌드 비율은 술폰화된 poly(aryl ether ketone)과 Nafion 이 질량 분율로 2:1, 3:1, 5:1 그리고 7:1이었다.-제조하였다.
두 물질을 블렌드 하기에 앞서, Nafion과 술폰화된 poly(aryl ether ketone)의 물성들을 측정하였다. 두 물질모두 높은 유리전이 온도와 분해 온도를 보이며 좋은 열적 안정성을 보여 주었다. 또한, 인장강도 실험을 통해 기계적 물성을 측정하였다. Nafion에 비해 술폰화된 poly(aryl ether ketone)이 Stress at break, yield stress 그리고 Young’s modulus에 있어 더 좋은 기계적 물성을 지닌 것을 알 수가 있었다. 블렌드 시킨 막에서도 술폰화된 poly(aryl ether ketone)의 함량이 더 많이 포함될수록 기계적 물성이 우수하였고, elongation at break는 술폰화된 poly(aryl ether ketone)이 matrix를 형성하고 있기 때문에, Nafion에 비해 다소 낮은 값을 나타내었다.
블렌드 막의 횡단면을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였을 때, Nafion과 술폰화된 poly(aryl ether ketone)의 비중차로 인해 두께 방향으로 Nafion 도메인의 볼륨 분율차가 형성되었다. Nafion의 비중이 술폰화된 poly(aryl ether ketone)보다 크기 때문에 Nafion 도메인들이 아래쪽으로 갈수록 더 많은 부피 분율을 차지하였다. 또한, 용매의 농도 profile로 인한 Nafion 도메인 크기에도 차이가 형성됨을 알 수가 있었다. 용매가 증발할 때, 막의 표면으로부터 증발하므로, 표면에서 점도가 더 빨리 높아져 Nafion 도메인이 더 이상 성장하지 못하고 초기 단계에 동결되어 Nafion 도메인 크기가 작았다. 그러나, 막의 아래부분에서는 용매의 농도가 표면에서보다는 크므로 Nafion 도메인들이 더 크게 성장할 수 있기 때문에 표면에서보다는 더 큰 Nafion 도메인들이 형성되었다.
수소이온 전도도는 Nafion이 가장 큰 값을 나타내었다. 블렌드 막의 수소이온 전도도는 Nafion 함량이 작을수록 전도도는 감소하였으며, Nafion 함량이 많이 포함된 2:1에서 가장 큰 값을 나타내었다. 메탄올 투과도 역시 수소이온 전도도와 같은 경향성을 보였다. 메탄올 투과도 역시 Nafion 함량이 적을수록, 술폰화된 poly(aryl ether ketone)의 함량이 많아 질수록 감소하였다.
연료 전지 사용시에는 물이 함침된 상태에서 작동되기 때문에 물의 함침량은 중요한 막의 특성으로 여겨진다. 술폰화된 poly(aryl ether ketone)의 물의 함침량이 Nafion보다 크기 때문에 블렌드 비율이 7:1로 가면서 물의 함침량이 더욱 증가를 하였다.
