본 연구에서는 4차 암모늄기를 가지는 모노머를 합성한 이후 이를 이용하여 PEEK(polyetheretherketone)계 고분자 소재를 합성하였으며 알칼리 연료전지에 적용하기 위한 특성평가를 진행하였다. 도입된 암모늄기의 함량을 조절하여 다양한 종류의 분리막을 준비하였으며, 암모늄기의 함량변화에 따른 물성변화를 관찰하였다. 제조된 PEEK계 분리막의 경우 도입된 암모늄기의 함량이 증가할수록 이온교환능력, 이온전도도등 전기화학적 물성이 증가가 됨과 동시에 일부 샘플의 경우 장기 안정성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 각기 다른 관능기를 가진 유기화된 무기입자를 sol-gel법을 이용해 제조하여 montorillonite가 가진 단점을 보완하였으며, 이를 sulfonated poly(arylene ether sulfone)(SPAES)고분자에 첨가해 복합막을 제막하였다. 제조 된 무기물은 사용한 실란화합물에 따라 상이한 색상 및 물성을 나타내었다. 최 종적으로 물리적 성능, 전기적 성능 등 복합막의 전반적인 물성변화를 나타내었으며 이에 따라 최적화된 관능기를 찾는 연구를 진행하였다.

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEFCs) are eco-friendly energy conversion systems to convert hydrogen directly into electricity via an electrocatalytic reaction. Representative membrane materials of PEFCs are Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers including Nafion® and 3M ionomers. In spite of high proton conductivity, it is difficult to apply PFSA free-standing membranes in real PEFC applications owing to their weak mechanical failures and thermo-chemical decomposition during PFEC operations, in addition to a relatively high production cost. In this study, Nafion nanodispersions in water-alcohol mixtures are fabricated using a supercritical fluid technique. The fundamental membrane characteristics are compared with those of counterpart membranes obtained from a commercially available Nafion emulsion.

Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)random copolymers have been perceived as alternatives to perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers owing to their cheap production cost and low hydrogen permeability. In spite of their advantages, there are some issues to overcome such as membrane durability and relatively low proton conductivity in the low humidity range. An approach to solve these problems is to fill SPAES copolymers into porous support films (e.g., poly(tetra fluoro ethylene), PTFE). However, it is difficult to make defect-free pore-filling membranes. In this study, SPAES nanodispersion in a water-alcohol mixture is made under a modified supercritical condition and used to make highly proton conductive and chemical durable SPAES-PTFE pore-filling membranes.

The water uptake, ionic conductivity, vanadium (VO2+) permeability and stability of polysulfone (PSF) based AEMs in alkaline media and in strongly oxidizing solutions were assessed. The highest ion conductivity was obtained with PSF-trimethylammonium (TMA)+. PSF-TMA+ also had better alkaline stability in comparison to PSF-AEM with different bases. PSF-TMA+ was demonstrated to show fuel cell performance. PSF-TMA+ demonstrated a 40-fold reduction in vanadium (VO2+) permeability when compared to Nafion® membrane. Comprehensive 2D NMR studies verified that PSF-TMA+ remained chemically stable even after exposure to a 1.5 M vanadium(V) solution for 90 days. Excellent energy efficiencies (85%) were attained and sustained over several charge–discharge cycles for a vanadium redox flow battery prepared using the PSF-TMA+ separator.

Ionomers are polymeric materials containing fixed charged ions (e.g., – SO3 -) to transport their counter ions (e.g., H+, Li+, Na+ and so on) selectively and have been widely used as key components for membrane and unit cell formation targeted for renewable energy generation (e.g., polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFC), redox flow batteries, and reverse electrodialyses) and valued chemical production (e.g., water and brine electrolysis). There are advantages such as high processability, easy solvent evaporation, and chemical inertness, when the ionomers are in the dissolved or dispersed states in water-alcohol mixtures to be applied for these applications. Unfortunately, it is difficult to make homogeneous solution or dispersion using the ionomers with hydrophilic levels undissolved in water. In this study, water-alcohol nanodipsersion with perfluorinated or hydrocarbon sulfonic acid ionomers are fabricated and their feasibilities as PEMFC and electrolysis materials are evaluated.

Novel sulfonated poly(arylene ether sulfone)s multi-block copolymer membranes containing highly sulfonated hydrophilic blocks were synthesized. Different local concentration of sulfonic acid in their hydrophilic blocks affected chemical and physical properties of the SPAES. To investigate the effects of chemical composition on their membrane properties, different hydrophilic oligomers sharing same hydrophobic blocks gave us exact comparison of effect of hydrophilic blocks. The higher concentration of sulfonic acid groups resulted in higher proton conductivity under certain relative humidity conditions than that of the state-of-the-art perfluorinated sulfonic acid membrane and showed that the well-developed phase separation of SPAES.

The asymmetric porous polybenzimidazole membranes were prepared to increase the doping level of phosphoric acid to increase ionic conductivity, to block the fuel/oxidant gas permeation to keep open circuit potential and to maintain chemical and mechanical stability to have good durability for proton exchange membrane fuel cells. The poly(benzimidazole) was synthesized and the asymmetric porous membranes were prepared by pore forming agents and proprietary film formation technology. As a result, it showed higher ionic conductivity, low gas permeability and similar chemical and mechanical stability.

Sulfonated poly(arylene ether sulfone) copolymers are prepared by an aromatic substitution polymerization reaction as polymer electrolyte membranes for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). Thin, ductile films are fabricated by the solution casting method, which resulted in membranes with a thickness of approximately 50μm. The synthesized copolymers and membranes are characterized by 1H NMR, FT-IR, TGA, ion exchange capacity, water uptake and proton conductivity measurements. The prepared membranes are tested in a 9 cm2 commercial single cell at 80 ℃ and 120 ℃ in humidified H2/air under different relative humidity conditions. The prepared membrane is found to perform better than the commercial Nafion 112 membrane at 120℃ under low humidity condition.

수소이온 교환막(PEM; Proton Exchange Membrane)은 연료전지 막-전극 복합체(MEA; Membrane-electrode Assembly)를 구성하는 핵심 소재 중 하나로서, 촉매와 함께 연료전지 성능을 결정하는 중요한 역할을 한다. 이러한 수소이온 교환막의 성능은 내부에 존재하는 수소이온 전달 통로인 수화 채널의 구조에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 분자 동역 학(MD; Molecular Dynamics) 전산모사 기술은 이러한 소재 내부의 분자 및 원자구조를 파악하기 위한 유용한 도구로서, 수 소이온 교환막의 구조 및 특성에 관한 많은 관련 연구가 진행되고 있다. 본 총설에서는 분자동역학 전산모사 관련 연구에 대 한 동향을 정리하고, 이를 통해 어떤 구조적 특징들을 분석할 수 있는지 제시하여, 수소이온 교환막 연구자들과 분리막 연구 자들에게 분자동역학 전산모사 기술의 유용성에 대하여 소개하고자 한다.

본 연구에서는 2차 암모늄기를 가지는 PEEK계 고분자 소재를 합성하였으며 이를 이용하여 분리막을 제조한 후 연료전지 적용을 위한 특성평가를 진행하였다. 이온교환능기의 함량에 따른 분리막의 물성변화에 대해 관찰하였으며, 기존의 폴리에테르에테르케톤 고분자에 비해서 도입된 암모늄기의 함량이 증가함에 따라 이온교환능 및 이온전도도가 향상이 되었으며, 비스페놀 에이계 단량체 도입을 통해서 용해의 용이성을 증가하여 가공성이 향상된 것을 확인 할 수 있었다. 특히 일부 샘플의 경우 장기 안정성 테스트 진행 후에도 분리막의 형상을 유지 함으로써 우수한 내 알칼리성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

분리막을 이용한 산업은 석유에너지 자원의 고갈과 동시에 친환경 에너지자원의 필요성이 대두되어 최근들어 많은 연구가 이루어지고 있다. 이온기 그룹을 포함하는 고분자 분리막의 경우 해수담수, 전지시스템 등 친환경 에너지 자원의 개발과 더불어 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이온교환 관능기를 포함하는 탄화수소계열 고분자를 합성하여 준비한 후 소수성의 고분자와 블렌 딩을 진행하였으며 이에 따른 이온교환능 및 이온전도도를 분석하여 연료전지용 고분자 전해질 막에 대한 평가가 이루어졌으며, 폴리에테르에테르케톤계 고분자의 내열성 및 우수한 물리적 강도를 가짐과 동시에 우수한 이온전도도를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.

The PBI membrane doped with phosphoric acid (PA) is one of the promising candidates for HT-PEMFC. The proton conductivity of PA doped PBI depends on the acid doping level (ADL). The method to fabricate porous PBI membrane using porogen were reported to increase the ADL. However, high ADL cause complete loss of the mechanical strength of the membranes. In this research, the dead-end porous PBI membranes were prepared using progen to increase the mechanical strength than porous PBI membrane and proton conductivity. The dead-end porous PBI membranes were investigated in terms of ionic conductivity, ADL, SEM and mechanical strength.

본 연구에서는 sol-gel 법을 이용하여 montorillorite가 가진 단점을 보완하기 위해 각기 다른 관능기를 가진 무기입자를 제조하였으며, sulfonated poly(arylene ether sulfone)에 입자를 첨가해 복합막을 제막하였다. 제조한 무기 입자의 관능기에 따라 복합막의 물성, 전기적 성능 등의 변화를 관찰하였으며, 이에 따라 최적화된 관능기를 찾는 연구를 진행하였다.

Alkaline direct liquid fuel cells (ADLFCs) employing anion-exchange membranes as a fuel barrier have attracted significant attention as promising alternative energy sources. ADLFCs are allowed to use more abundant anode catalysts which are cheaper than the catalyst used in that using hydrogen fuel. In this work, novel pore-filled anion-exchange membranes (PFAEMs) were successfully fabricated by combining a highly porous poly(tetrafluoroethylene) film and cationic polyelectrolytes with structurally stable anion-exchange sites. The results of the membrane characterizations revealed that the optimization in the crosslinking degree and hydrophilicity of membranes should be considered for the successful application of the PFAEMs to ADLFCs. (KETEP)(20153030031720) and (MOTIE) (No. 10047796).

SAFCs are recently being highlighted to overcome the disadvantages of AFCs. According to the recent works, alkaline doped PBI membranes exhibited good ionic conductivity, acceptable mechanical strength and high thermal stability. Suitable ionomer binder solutions for SAFCs were necessary. In this study, QPBIs having quaternized intermediate MGMC in the side group were synthesized for use as anion conducting ionomer binder. In addition, crosslinker was added in the catalyst slurry to improve the mechanical strength and chemical stability. The QPBIs were investigated in terms of FT-IR, NMR, ionic conductivity, KOH uptake etc. Moreover, MEAs prepared with different amounts of ionomer binder in electrodes were evaluated by CV and IV curve.

고분자전해질 연료전지용 막-전극접합체 내 전극에는 삼상계면을 구성하기 위하여 이온 전도가 가능한 이오노머가 함유되어야한다. 따라서 촉매슬러리 제조를 위해 이오노머가 용매 시스템에 분산되어 있는 분산 용액 형태이어야 한다. 하지만 상용 이오노머 분산 용액의 종류가 제한되어 있으며 개발 물질로 제 조된 전해질막과의 호환성을 위해 동일 물질 기반의 분산 용액으로의 전환이 요구된다. 본 연구에서는 동결 건조 방식을 활용한 고분자 분쇄방법을 도입하여 이오노머를 분쇄하고 이를 활용한 이오노머 분쇄 용액을 제조하여 다양한 물성 및 성능을 조사하였다.

본 발표에서는 고분자막의 열화(Degradation)원인과 열화 조건, 열화방지 방법, 고분자막 내구성 평가 방법 등에 대해서 논의하고자 한다. PEMFC 고분자 막의 열화원인은 전기화학적인 열화를 포함한 화학적인 열화와 물리적인 열화, 열에 의한 열화로 분류할 수 있다. 고분자 막이 전기화학적열화가 잘되는 조건은 OCV와 같은 높은 전압, 저 가습, 고온, 높은 수소/산소 압력 조건이다. 고분 자막의 내구성을 평가하기 위해서 열화 가속화 기법을 사용하는데, 전기화학적 내구성은 OCV holding 기법을, 물리적 내구성은 Wet/Dry 기법을 일반적으로 사용한다. 이들 내구성 평가 방법에 관한 미국의 DOE 프로토콜과 일본의 NEDO 프로토콜을 비교 검토한다.

범세계적인 온실가스저감 노력이 활발하게 움직이고 있다. 이러한 현상은 수송분야에서 친환경자동차 보급이라는 전략으로 이루어지고 있다. 친환경자동차 중 수소연료전지차는 수소라는 신에너지를 활용하는 자동차로 친환경차 중 유일하게 전기를 생산히야 모터를 구동하는 자동차이다. 수소연료전지차는 수소와 공기를 사용하기 때문에 청정하다는 이로운 점도 있지만 아직은 해결해야할 다양한 문제점을 가지고 있다. 수소연료전지차에서 전기를 생산하는 스택 내 부품 중 전해질 막은 수소이온을 전달하고 생성된 물을 활용하는데 매우 중요한 역할을 하고 있으나 불순물, 온도변화, 부하운전, 가습조건 등 다양한 자동차 환경에서 열화가 발생한다. 전해질 막 연구에 있어 자동차 운전환경에서 나타나는 열화 현상과 발생 가능성 및 해결방안에 대한 고찰을 하였다.

술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 랜덤 공중합체는 고분자 전해질 연료전지에 적용될 때 높은 수소이온전도 도, 상대적으로 낮은 생산 단가 그리고 열화학적 저항성등과 같은 장점을 갖는다. 반면, SPAES 공중합체는 가혹한 구동 조건 하에서 낮은 화학적 안정성과 치수 불안전성으로 인해 실제 연료전지 막에 직접적으로 적용하는데 어려움이 있다. 그에 타당 한 해결책은 SPAES 공중합체를 상호 연결된 기공 구조와 높은 열화학적 강도를 가지는 지지체 필름(예 : 전기방사된 폴리이 미드 지지체)에 함침시키는 것이다. 본 연구에서는 함침막 제조를 위한 이오노머로 빠른 이온 수송을 위해 높은 자유 체적을 유도하는 회전 그룹을 갖는 SPAES 공중합체를 선택하였다. 제작된 막의 실용가능성은 막 특성화를 통해 평가되었다.