In order to enhance the proton conductivity and to reduce the methanol crossover in the direct methanol fuel cell(DMFC) the polymer blend membranes composed of proton conducting component and methanol barrier component were prepared. Sulfonated poly(arylene ether sulfone) copolymer with 60mol% sulfonation (sPAES-60) was synthesized via poly-condensation reaction from 3,3'-disulfonated -4,4'-dichlorodiphenyl sulfone (SDCDPS), 4,4'-dichlorodiphenyl sulfone (DCDPS), and 4,4'-biphenol(BP) for the proton conducting component. To compensate for the mechanical and chemical weakness of the sPAES-60 and to reduce the methanol permeability poly ether sulfone copolymer (RH-2000, Solvay) was used. By varying the drying condition (HT, FD1, FD2) and the concentration of the casting solution (10wt%, 15wt%, 20wt%) various types of phase separated morphologies of the blend membranes were obtained. The morphology was characterized by SEM, EDAX, and AFM. The AC impedance spectroscopy was used to measure the proton conductivity and the liquid permeability measuring instrument was designed to measure the methanol permeability. The state of water in the membranes was confirmed by the DSC and it was used to correlate the morphology of the membrane with the membrane transport properties. In this thesis the effect of the drying condition on the phase separation and morphology of the blend membranes was investigated and then the transport properties of the blend membranes were discussed.
급속한 자원 고갈과 환경 오염 문제가 심각해짐에 따라 기존의 내연 기관을 대체할 연료 전지가 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다. 연료 전지는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접적으로 전환시키므로 오염원의 배출을 최소화할 수 있고 가용 에너지양은 저장된 화학 에너지의 양에 의해 결정되므로 연료 이용 효율이 매우 높은 장점을 가진다. 사용하는 연료와 전해질에 따라 다양한 형태의 연료 전지가 가능하며 출력 전력도 달라진다. 특히 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 간단한 구조와 낮은 구동 온도 및 쉽고 안전한 운전이 가능하기 때문에 휴대 전화, 개인용 단말기, 노트북 등 소형 전자제품용 에너지원으로 많이 연구되고 있다. 직접 메탄올 연료전지의 핵심 소재인 멤브레인은 수소이온 전도도가 높아지면 연료인 메탄올의 투과도도 함께 높아지는 경향이 있다. 이러한 메탄올 크로스오버 현상은 미반응 연료의 소모라는 점에서 연료 사용 효율을 낮출 뿐만 아니라 전극의 성능도 떨어뜨려서 전지의 출력 전압을 저감시킨다.
따라서 수소이온 전도도를 높게 유지하는 성분 (sulfonated poly (arylene ether sulfone) : sPAES-60) 과 메탄올 투과도를 낮출 수 있는 성분 (non sulfonated poly ether sulfone : RH-2000)의 블렌드 방법을 도입했다. sPAES-60 은 60 mol% 의 술폰화된 단량체로부터 축합반응을 통해 합성했고 술폰화된 단량체가 없는 RH-2000 은 Solvay 로부터 공급받았다. DMAc 용매를 사용한 고분자 용액은 1:1 로 블렌딩하였다.
본 연구에서는 고분자 블렌드 용액의 초기 농도(10wt%, 15wt%, 20wt%)와 건조 조건(HT, FD1, FD2)을 변화시킴으로써 상분리 현상을 조절할 수 있었다. 다양한 몰폴로지를 가진 복합막은 SEM 과 EDAX 분석을 통해 형태의 유사성에 따라 이층구조, (group I), 거대 상분리된 구조(group II), 미세 상분리된 구조 (group III), 연속상 구조 (group III)의 네 그룹으로 분류했다. Group IV 에서 Group I 으로의 형태적 변화는 스피노달 상분리를 통한 몰폴로지 변화 양상과 일치했다. 두 성분 고분자의 삼차원적 연속성이 가장 발달되어 있는 Group IV 의 경우 수소 이온 전도도뿐만 아니라 메탄올 투과도도 가장 높았지만 메탄올 투과도에 대한 수소 이온 전도도의 비인 막의 선택도에서는 가장 좋은 성능을 나타내었다. 이것은 sPAES-60의 친수성 채널이 수소이온 전도도를 높게 유지하는 반면에 삼차원적으로 연결된 RH-2000의 소수성 채널이 메탄올의 투과를 효과적으로 막고 있기 때문이다. 본 실험의 결과 기존의 이층 구조 복합막은 메탄올의 투과를 막아주지만 수소이온의 전도까지 억제하기 때문에 선택도면에서는 좋지 않으며, 각 성분의 삼차원적 연결성이 증가할수록 복합막의 선택도가 높아지는 것을 알 수 있었다.
