The most attention alternative membranes are based on non-fluorinated hydrocarbon polymers, and one of the typical membrane is made of sPEEK. It has many advantages, such as low cost, easy sulfonation process, and high proton conductivity at a high degree of sulfonation. But there is critical problem that must be solved for successful commercialization. The volume change during the hydration-dehydration cycle process of fuel cell operation can lead to poor long-term operation.
In this study, semi-IPN membrane system has been applied to enhance the dimensional stability of membrane associated with the long-term stability. sPEEK/polyimide(sPPI), sPEEK/poly(AMPS)(sPAMPS) semi-IPN membrane was synthesized to overcome the problem of bare sPEEK membrane. The synthesized semi-IPN membrane has higher dimensional stability than bare sPEEK membrane. And sPAMPS30 membrane shows relatively narrow hydrophilic channel (13.1nm). Due to the high dimensional stability and proton conductivity, sPAMPS30 was chosen as a representative membrane for long-term operation. Current density change of sPEEK ($600mA cm^{-2} -> 331mA cm^{-2}$) membrane at 0.6V was higher than that of Nafion ($607mA cm^{-2} -> 472mA cm^{-2}$) membrane as well as sPAMPS30($703mA cm^{-2} -> 596mA cm^{-2}$) membrane during accelerated durability test(ADT). During the accelerated durability test, open circuit voltage (OCV), which is a good measure of the reactant permeation through the membrane, has taken as a function of the operation time. These OCVs were measured before the polarization. Both cells using Nafion and sPAMPS30 membrane maintained the OCV for 23 day of fuel cell operation. However, the OCV of sPEEK membrane decreased during accelerated durability test.
Nafion은 높은 가격, 높은 온도에서의 낮은 전도도 등의 단점에도 불구하고 연료 전지의 막으로 많이 사용되어 왔다. 하지만 최근 들어 이 문제를 해결 하기 위해 대체 막에 대한 연구가 활발이 진행되고 있으며, 많은 주목을 받고 있는 막 중 하나가 불소를 포함하고 있지 않은 탄화수소계 고분자막이다. 전형적인 탄화수소계 막으로는 술폰화 폴리 에테르 에테르 케톤 (sPEEK)이 있고, 이는 낮은 가격, 쉬운 술폰화 과정, 높은 전도도 등의 장점을 가지고 있어 연료 전지용 막으로 많이 사용되어 왔다. 하지만 상업화를 위해서 해결 되어야 할 중요한 단점을 한가지 가지고 있으며, 그것은 연료전지 구동 중 막의 큰 부피 변화로 인해 장기 성능이 나빠진다는 것이다.
본 연구에서는 이 문제를 해결 하기 위해 가교 물질의 양에 따른 semi-IPN막을 합성 하였고, 합성 후 전도도의 감소를 막기 위해 술폰산 그룹이 포함된 모노머를 선택 하였다. 합성된 막의 치수 안정성과 $65\degC$에서의 전도도 측정 결과 sPEEK 막보다 모두 높게 나왔으며, 가교 물질을 가장 많이 포함한 고분자막이 가장 높은 치수 안정성을 보였다. 또한 그 양이 증가 할수록 막의 친수성 채널 넓이가 좁아졌다.
합성한 막의 응용 가능성을 확인해 보기 위해 단위 셀 구동 실험을 하였다. 0.6V에서 초기 셀 성능의 경우 예상한 대로 합성한 semi-IPN막($700mA cm^{-2}$) 이 sPEEK막($600mA cm^{-2}$) 보다 높게 나왔다. 또한 장기 성능 실험 결과 셀을 구동하는 동안 semi-IPN막의 전류 밀도 감소($703mA cm^{-2} -> 596mA cm^{-2}$) 보다 sPEEK막의 전류 밀도 감소폭($600mA cm^{-2} -> 331mA cm^{-2}$) 이 더 컸으며, OCV(open circuit voltage)의 변화도 sPEEK막의 경우만 작은 감소를 보였고, 다른 막의 경우에는 거의 일정한 값을 유지 하였다.
