As high temperature polymer membranes, $H_3PO_4$ (phosphoric acid, PA)-doped poly(2,5-benzimidazole) (ABPBI) membranes have been considered as one of promising materials. However, these systems still have problems that PA can be leached out from the electrolyte by liquid water on the cathode side and the mechanical strength of the membranes is reduced significantly as the acid doping level increases, especially at high temperatures.
In this study, anion receptor and porous polyimide have been applied as alternative route to overcome these difficulties associated with the long-term stability of the membrane in the fuel cell. To solve acid leakage problem, anion receptor was introduced into PA-doped ABPBI systems. Boron phosphate $(BPO_4)$ was chosen as anion receptor. Lewis acid-base interaction between $BPO_4$ anion receptors and $PO_4^{3-}$, $HPO_4^{2-}$, $H_2PO_4^-$ anions was verified through FT-IR and thermal analysis. This interaction could lead to prevent PA from leaching out by liquid water. In addition, proton conductivity of PA-doped ABPBI membrane including 10wt.-% $BPO_4$ exhibits very high values about $4.8 \times 10^{-1}$ S/cm at 150℃. To enhance mechanical properties, PA-doped ABPBI membranes were reinforced by porous polyimide, which prepared by lamination method. Consequently, the tensile mechanical behavior of PA-doped ABPBI-laminated porous PI membranes has been highly enhanced about 58MPa. The maximum power density at 150℃ was 243 mW/㎠ at 700 mA/㎠.
본 연구의 목표는 음이온 고정화 물질과 다공성의 폴리이미드 메트릭스의 도입을 통해 기존의 인산이 도핑된 고온용 폴리머 연료전지의 문제점으로 제기된 물에 의한 인산의 용출과 도핑률 증가에 따른 기계적 강도 감소를 제어하는 것이었다.
일반적으로 인산이 도핑된 ABPBI막의 경우 구동 후 양극에서 생성된 물에 의해 인산이 전극으로 지속적으로 빠져나가 연료전지의 장기성능을 저하시키는 문제점이 있었다. 또한 성능향상을 위해 다량 도핑된 인산에 의해 막의 기계적 강도는 고온에서 저하되는 특성을 보였다.
반면 본 연구에서 제조된 음이온 고정화 물질로서 보론포스페이트 $(BPO_4)$ 가 도입된 막의 경우 경우 인산 용출 가속실험에서 1시간 이후에도 약 30%정도의 인산이 잔존하여 인산 용출이 현저히 감소되었음을 증명하였다. 그리고 수소이온 전도도에서도 기존 막에 비해 크게 향상되는 특성을 보였다.
본 연구에서는 또한 기계적 강도의 감소를 해결하고자 다공성의 폴리이미드에 인산이 도핑된 ABPBI막을 라미네이션 방법에 의해 제조하였다. 이를 통해 제조된 막은 0.7MPa에서 58.4MPa로 기계적 강도가 크게 향상되었을 뿐만 아니라 셀제조 후에도 단락없이 우수한 셀성능 (243mW/㎠ @150℃) 을 보여주었다.
