Fuel cell is a part of batteries, device that electrochemical reaction to electrical and heat energy. Fuel cell gives us continuous power until fuel and oxidant supplies not finished. Like lithium secondary battery, fuel cell is one of promising system for portable electrical source. But still has some problem such as low power density, complicated system, difficulty in fuel storage and size. Former research of operation at low relative humidity, to prove those complicated system and cost problems.
As low relative humidity fuel cell polymer membranes, composite membranes with ionic conducting additives have been considered as one of promising technique. Many kind of inorganic/organic additives have been studied; composite membranes with additives have been shown better proton conductivity than bare hydrocarbon based membranes, still not appropriate for fuel cell applications. Also composite membranes with hydrocarbon based membrane have problems with compatibility when highly doped.
In this study, new type of silica additive has been synthesized to use for composite membrane with sPEEK membrane. Sulfonic acid functionalized silica particles were synthesized by condensation of appropriate precursors through sol-gel approach. SPEEK of ion exchange capacity 1.35 mequiv./g were prepared by sulfonation of PEEK powder. Composite membrane was prepared by solution casting method. Proton conductivity of composite membrane at 85℃ RH80 shows 4.57 × $10^{-1}$ S/cm. The maximum psower density at 90℃ was $192 mW/cm^2$ at 0.6V.
고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용해 에너지를 생산해 내는 시스템으로, 이중 저습상태에서의 구동의 이점으로는 가습기 관리의 편의성, 연료전지 효율의 증가 그리고 생산 가격 하락 등이 있다. 기존에 사용되었던 하이드로카본계 막의 경우 저습에서의 전도도 저하가 기존 나피온 막에 비해 심하게 일어나고, 이로 인해 전지의 성능이 크게 저하되는 문제점이 있었다. 이에 본 연구에서는 기능성 작용기를 가지고 있는 실리카 첨가제를 기존 sPEEK막에 도입하여 저습 상태에서의 전도도 저하를 해결하고자 하였다.
본 연구에서는 첨가제로 사용한 실리카에 술폰화 작용기를 달아 막에서의 IEC증가와 저습상태에서의 물의 보존이 용이하도록 계획하여 MPTMS를 기본물질로 한 합성을 진행하였고, 술폰화 작용기가 달린 실리카를 제작 하였다.
본 연구에서 사용된 술폰화 작용기가 달린 실리카 첨가제를 이용한 기능성 실리카 복합체 막의 경우 기존 사용되었던 sPEEK막과 비교하여 저습상태에서의 전도도 증가를 확인할 수 있었다. 실리카 복합체 막의 85도/상대습도 50%에서의 전도도는 0.194S/cm로 sPEEK의 0.158S/cm보다 향상된 것을 알 수 있다. 또한 90도/상대습도 50%에서의 전지 성능에 있어서도 sPEEK막에 비해 우수한 성능($330mA/cm^2$)을 보여주었다.
