In order to keep up the proton conductivity and reduce the methanol permeability of the polymer membranes in the direct methanol fuel cell (DMFC), blend membranes composed of proton conducting component and methanol barrier component were prepared.
Highly sulfonated poly(arylene ether sulfone) copolymer with 60mol% sulfonation (sPAES-60) was synthesized via nucleophilic aromatic substitution poly-condensation reaction from 4-4’-biphenol (BP), 3,3’-disulfonated -4’4-dichlorodiphenyl sulfone (SDCDPS), 4-4’-dichlorodiphenyl sulfone (DCDPS) for the proton conducting component. As methanol crossover barrier, poly ether sulfone copolymer (RH-2000, Solvay) was used. Each two polymers were blended with 5:5 blend ratio using MEK/DMF (2:8 weight ratio) mixed solvent. By varying the drying condition (HT, FD1, FD2) and the concentration of casting solution (10wt%, 15wt%, 20wt%) various types of phase separated morphologies were obtained. Important properties of membrane such as proton conductivity, methanol permeability and water uptake were influenced by the morphology.
The morphology was characterized by SEM and AFM. The AC impedance spectroscopy was used to measure the proton conductivity and methanol permeability was measured by placing the membrane between two liquid chambers.
The cross-sections of blend membranes showed phase separated morphologies. The effect of phase-separated morphology on the properties of blend membranes was investigated. The blend membranes at HT drying condition showed two layer morphology at 10wt% and 15wt% concentrations. HT 20wt%, FD1 10wt% and FD1 15wt% revealed intermediate morphology. Small sPAES-60 domains were interconnected in RH-2000 matrix in the intermediate morphology. FD1 20wt% and all FD2 blend membranes showed as co-continuous morphology.
In this thesis, the effect of the concentration of casting solution and the drying condition on the morphology of the blend membrane was investigated. In the conclusion, the transport properties of the blend membranes were discussed.
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지에 쓰이는 고분자 전해질 막을 제조하고 그 특성을 분석하여 최적의 전해질 막을 개발하고자 한다.
연료전지는 화학적 에너지를 직접 전기적인 에너지로 변환시키는 장치로, 효율이 높고, 공해 및 소음이 적으며, 휴대용으로부터 자동차등의 수송용 전원, 가정용 및 전력 산업용과 같이 다양한 응용분야가 가능하다. 직접 메탄올 연료전지는 상온에서 작동이 가능하고 액체인 메탄올을 바로 사용할 수 있으며, 수소 기체를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지와 비교할 때 개질기를 제거할 수 있는 장점이 있어 활발히 연구가 되고 있다. 직접 메탄올 연료전지의 초기개발에서는 고분자 전해질 연료전지에서 많이 쓰이던 Nafion등의 과불소화 전해질 막이 사용되었으나, 이러한 막은 메탄올이 쉽게 투과되어 전지의 성능을 급격히 떨어뜨리게 되고 직접 메탄올 연료전지의 실용화에 문제가 되고 있다.
따라서 수소이온 전도도를 높게 유지하는 성분 (sulfonated poly(arylene ether sulfone) : sPAES-60) 과 메탄올 투과도를 낮출 수 있는 성분 (non sulonated poly ether sulfone : RH-2000)의 블렌드 방법을 도입했다. sPAES-60은 60mol%의 술폰화된 단량체로부터 축합반응을 통해 합성했고 술폰화 된 단량체가 없는 RH-2000은 Solvay로부터 공급 받았다. Co-solvent (MEK:DMF=2:8) 용매를 사용한 고분자 용액은 1:1로 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 분석을 통해 형태의 유사성에 다라 이층구조 (Group I), 미세 상분리된 구조 (Group II), 연속상 구조 (Group III)의 세 그룹으로 분류했다. Group III 에서 Group I 으로의 형태적 변화는 스피노달 상분리를 통한 몰폴로지 변화 양상과 일치했다. 두 성분 고분자의 삼차원적 연속성이 가장 발달되어 있는 Group III 의 경우 수소 이온 전도도 뿐만 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.
