Fuel cells have received enormous attention as novel electrical energy conversion systems applicable to automotive propulsion, distributed power generation, and power source of portable electronics. There are several types of fuel cells clarified by operation temperature or the electrolyte used. Direct methanol fuel cell (DMFC) is one of them using proton exchange membranes as the electrolyte and operated at low temperature (below 100℃). DMFC has been developed as a power source for portable electronic devices but there are major problems that must be solved for successful commercialization such as slow reaction and methanol crossover.
Research objective of this paper is to develop an alternative membrane that can substitute for Nafion, the current state-of-the-art proton exchange membrane. To obtain membranes that have significantly reduced methanol permeability and water transport, crosslinked membranes based on sulfonated polyimide was prepared.
Crosslinked membranes, c-sPI-ODA and c-sPI-PODA, showed different properties from non-crosslinked membranes, nc-sPI-ODA and nc-sPI-PODA. Crosslinking improved physical properties such as mechanical properties and thermal stability. Also, crosslinked membranes showed decreased water uptake and this resulted in reduction of methanol crossover. Proton conductivity of both noncrosslinked and crosslinked membranes showed similar values except for the case that reduction of water uptake was significant. This is because there is limitation in the effect of water uptake on proton conductivity. In unit cell operation using crosslinked membranes, the OCV increased due to reduced methanol crossover but cell performance is poor due to increased cell resistance.
최근 전 세계적으로 연료전지 개발에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 이는 화석연료의 고갈과 화석연료 사용에 따른 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 유망한 해결책으로 기대되고 있기 때문이다. 연료전지는 구동온도 및 사용되는 막에 의해 구분되는데 그 중 직접메탄올 연료전지 (direct methanol fuel cell, DMFC)는 메탄올을 직접 연료로 사용하고 수소이온 전도막을 사용한다는 특징을 가지고 있다. DMFC는 작동의 간편성과 연료 교체의 편리함, 시스템의 간단함으로 인해 휴대용 전원공급장치로 각광받고 있으나 느린 전극반응과 막을 통한 메탄올의 투과 등의 여러 문제점을 갖고 있다.
본 연구에서는 기존의 나피온을 대체할 수 있는 수소이온 전도막을 개발하기 위해 우수한 열적, 화학적 안정성과 뛰어난 기계적 성질을 가진 폴리이미드를 막의 기본 물질로 이용하였다. 탄화수소 계열의 높은 함수율은 기계적 안정성을 떨어뜨리고 막의 변형을 유발하며 메탄올 투과현상을 증대시키기 때문에 막의 가교를 통해 함수율을 감소시키고자 하였고 이를 위해 가교된 술폰화 폴리이미드 막이 제조되었다.
막의 가교는 막의 기계적, 열적 안정성을 향상시켰고 함수율을 낮추어 메탄올의 투과를 감소시켰다. 수소이온 전도도의 경우, 낮은 함수율로 인해 수소이온 전도도는 감소될 것이라 예상되었는데 측정 결과, 예상과는 다소 다른 현상을 보였다. 가교된 막은 함수량이 가장 낮은 막을 제외하고는 가교되지 않은 막과 유사한 수소이온 전도도를 나타냈다. 이는 수소이온 전도도를 좌우하는 다른 요소들이 고정되어 있는 경우, 함수량이 수소이온 전도도에 미치는 영향에 한계가 있기 때문인 것으로 보인다.
가교된 술폰화 폴리이미드 막의 응용 가능성을 확인해 보기 위해 제조된 막을 이용한 단위 전지를 구성하여 구동 실험을 실행하였다. 가교된 막이 사용된 경우, 메탄올 투과 감소로 인해 향상된 OCV (open circuit voltage)를 보였으나 큰 전압강하로 인해 낮은 셀 성능을 보였다. 이는 가교로 인한 셀 저항 증가에 기인한 것으로 현 개발 단계에서는 가교된 술폰화 폴리이미드 막의 사용에 한계가 있다는 것과 새로운 막의 개발을 위해서는 막에 적합한 전극 바인더를 비롯하여 셀 성능에 관여하는 여러 요소들을 고려해야 한다는 것을 시사해준다.
