화석연료 사용이 증가하면서 온실가스 및 대기오염가스 등의 환경오염 문제가 심각해졌다. 이를 해결하기 위한 신재생에너지, 친환경적인 대체에너지원을 찾기 위한 많은 연구가 이뤄지고 있다. 연료전지는 전기에너지를 발생하며 부산물로 물만이 생성되는 친환경 에너지 발생장치다. 특히, 전해질로 음이온 교환막을 사용하는 음이온 교환막 연료전지(Anion Exchange Membrane Fuel Cell)는 높은 촉매의 활성으로 양이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel cell)와 다르게 저가의 금속 촉매를 사용할 수 있는 장점 때문에 관심이 높아지고 있다. 음이온 교환막으로써 요구되는 주요 특성은 높은 이온(OH-) 전도도 및 높은 pH의 구동조건에서의 안정성이다. 본 연구에서는 PPO계 고분자의 화학적 가교 반응을 이용해 얻어진 가교형 고분자 막의 낮은 기계적인 특성과 치수 안정성을 높이기 위해 보다 높은 분자량을 갖는 고분자 사용과 함께 가교율 증대를 통해 보다 높은 이온 전도도와 기계적인 성질, 높은 화학적인 안정성뿐만 아니라 실제 연료전지 구동조건에서 높은 셀 성능을 갖는 AEMFC용 고분자 전해질 막을 개발했다.

축전식 탈염(capacitive deionization)에 이용할 수 있는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 음이온 교환막의 가교결합에 대해 조사하였다. 브롬화와 아민화 반응단계를 거쳐 PPO 음이온 교환 고분자를 제조하고 비스페놀 A 디글리시딜에테르 (BADGE), m-페닐렌디아민(m-PDA), 헥사메틸렌디아민(HMDA) 등으로 가교하였다. 가교에 따른 겔화되는 시간은 HMDA > m-PDA > BADGE 순으로 짧았으며, 일정한 함량 이상으로 실온에서 가교하면 1-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 비양성자성 용매(aprotic solvent)에 녹지 않아 내화학성이 증대되었다. 가교제(BADGE) 함량에 따른 음이온 교환막의 이온 교환 용량과 함 수율을 측정하고 비교하였다. HMDA 용액에 침적하여 표면 가교한 PPO 음이온 교환막을 축전식 탈염에 적용한 결과 그 탈염 성능은 가교하지 않은 막과 비교하여 흡착단계의 초기 부분을 제외하고 거의 차이가 없었다.

본 연구에서는 가교막을 poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide)(PPO)에 브롬화반응을 통해 제조한 Br-PPO를 주 사슬로 성공적으로 제조하였고, 키토산과 4차암모늄이 포함된 키토산을 가교제로 사용하였다. 제조된 가교막은 트리메틸아민 용액에 함침하여 후처리를 진행하였다. 그리고 가교도는 가교제 비율을 이용하여 조절하였다. 이렇게 제조된 A-PPO + chitosan 가교막과 A-PPO + QA-chitosan 가교막의 이온교환막으로써의 가능성을 여러 특성평가로 확인하였다. Chitosan을 사용한 가교막보다 QA-chitosan을 사용한 가교막이 가교가 더 잘 이루어졌으며, QA-chitosan의 함량이 증가할수록 이온교환용량이 1.18 meq/g에서 1.53 meq/g까지 증가하는 경향, 함수율이 21.6%에서 42.2%까지 증가하는 경향을 나타내었다.

The anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) have been known to be promising eco-friendly power sources. To develop AEMFCs, the high ion conductivity, good dimensional, mechanical and alkaline stabilities are required for AEMs. However, the high conductivity generally requires high water uptake, which causes an enhanced swelling and decreased mechanical properties for the AEMs. To overcome this problem, we introduced an ionic conductor having long alkyl diammonium groups to alkyl-substituted poly(p-phenylene oxide) (PPO). Addition of this new additive increased the conductivity, mechanical and alkaline stabilities due to the molecular interaction between alkyl chains in PPO and same group of the additive. Synthesis and properties of the corresponding membranes will be discussed in detail.

화석연료의 무분별한 사용에 따라 이산화탄소 배출 등 환경오염의 문제가 대두되면서, 전 세계적으로 신⋅재생에 너지 및 친환경 에너지에 많은 연구가 이루어지고 있다. 연료전지는 전기에너지를 발생시키며 부산물로써 물만을 생성하는 친환경 에너지 발전 장치이다. 특히, 음이온 교환막을 이용한 알칼리 연료전지(Anion Exchange Membrane Alkaline Fuel Cell, AEMAFC)는 수소이온 교환막을 이용한 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)에 비해 보다 높은 촉 매의 활성으로 인해 저가의 금속 촉매의 사용이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 AEMAFC에서 요구되는 AEM의 특성으로 는 연료전지가 작동하는 높은 pH 조건에서 높은 이온전도도 뿐만 아니라 화학적 안정성이다. 본 연구에서는 화학적 안정성 을 극대화 시키기 위하여 poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) 고분자에 spacer-type의 전도기를 도입함과 동시에 가교법을 이용하여 높은 이온전도도(80°C, 67.9 mS cm-1)와 기계적 성질(영률 : 0.53 GPa) 뿐만 아니라 높은 pH 조건에서 화학적 안정 성(80°C, 1000 h, 6.8% loss of IEC)을 갖는 AEMAFC용 고분자 전해질 막으로써의 가능성을 제시하였다.

The anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) have been regarded as the promising power sources. To develop promising AEMs, the most important components in AEMFCs, the properties of the conducting groups as well as the polymer backbones should be both considered. We recently developed PPO-based anion exchange membranes having various conducting groups, including ammonium, imidazolium, mopholinium. The preparation, characterization and properties of the corresponding membranes will be discussed in detail.

본 연구에서는 축전식 탈이온 공정(capacitive deionization, CDI)의 성능을 개선하기 위해 poly(2,6-di-methyl-1,4-phenylene oxide) (PPO)를 기저물질로 이용하여 코팅이 가능한 음이온교환 이오노머(quaternized PPO, QPPO) 용액을 제조하였다. 제조된 QPPO는 상용 음이온교환막(AMX, Astom Corp., Japan) 대비 우수한 이온전도도 특성을 나타내었으며 전기화학적 특성 또한 동등 수준임을 확인할 수 있었다. 다공성 탄소 전극에 이오노머 용액을 코팅하여 CDI 성능평가를 수행하였으며 그 결과 약 94.9%의 높은 염 제거 효율을 나타내었다. 기존의 CDI와 상용 음이온교환막을 결합한 membraneCDI (MCDI), QPPO가 코팅된 전극을 사용한 coated CDI (CCDI)의 탈염 성능을 비교한 결과 QPPO의 높은 이온선택성 및낮은 이온 전달저항으로 CCDI가 기존의 CDI에 비해 52.1%, MCDI에 비해 18.3% 향상된 높은 염 제거 성능을 나타냄을 확인하였다.