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.

수용성 고분자인 poly(vinyl alcohol) (PVA)에 가교제인 sulfosuccinic acid (SSA)를 첨가하여 가교반응을 통해 물에 용해되지 않는 막을 제조하였으며, 이온교환능력을 부여하기 위해 poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA_MA)를 PVA 질량대비 70, 80, 90 wt%로 달리 첨가하여 막을 제조하였다. 제조한 막의 특성을 알아보기 위해 FT-IR, 함수율, 이온교환용량, 이온전도도, 메탄올 투과도를 측정하였다. 함수율과 이온교환용량, 이온전도도는 PSSA_MA 함량이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며 메탄올 투과도는 감소하는 경향을 나타내었다. 특성평가 결과 본 실험 막의 최적 조성은 PVA10/SSA9/ PSSA_MA80으로 도출되었다

본 연구에서는 용액 캐스팅법을 이용하여 각기 다른 함량의 VMT가 첨가된 SPAES/VMT 복합막이 제조되었다. SPAES 매트릭스 내의 VMT입자 분산은 전자주사현미경으로 관찰된 평균분포에 의해 확인되었다. 1 wt%보다 적은 함량을 포함한 복합막은 고분자 매트릭스 내에 좋은 분산성을 나타내어 막의 상부층과 하부층에 매끈한 표면을 가졌다. 복합막의 함수율은 온도가 증가함에 따라 급격하게 증가되었으며 VMT는 높은 이온교환능력으로 인하여 강한 수분친화도를 가짐으로 인해 높은 모든 흡착된 수분은 bound water인 것으로 확인하였다. VMT의 함량이 1 wt%보다 적게 첨가된 복합막에서 증가된 이온전도도와 낮아진 메탄올 투과도를 확인할 수 있었다. 모든 복합막 중에서 SPAES/VMT 1.0 wt% 복합막은 선택도 측면에서 가장 뛰어난 연료전지 성능을 가졌으며 Nafion 112과 비교하여 두배 이상 우수한 값을 나타내었다. 이것은 SPAES/VMT 1.0 wt% 복합막이 직접메탄올 연료전지의 구동을 위한 가장 우수한 조건이 될것이라 사료된다.

친전자성 치환반응으로 제조된 술폰화 단량체, 비(非)술폰화 단량체 및 탄산칼륨을 이용하는 직접 중합법을 통하여 높은 점도의 술폰화 폴리아릴에테르술폰 공중합체를 합성하고, 이들을 원료로 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 디메틸아세트아미드(DMAc)의 혼합 용매 상에서 직접 메탄을 연료전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 막 제조 시의 용매 효과에 주목하여 혼합 용매의 부피 비는 0~100%로 변화시키고 공중합체의 술폰화도는 50%로 고정하였다. 이온 전도도 및 메탄올 투과도 측정을 통하여 최종 전해질 막의 기본 특성을 파악하고, 주사전자현미경 및 원자간력현미경분석을 통한 표면 분석 결과와 비교함으로써 이들의 상관관계를 고찰하였다. 막 제조 시의 용매 혼합 비율을 적절히 조절함에 따라 최종 전해질 막의 이온 전도도를 크게 향상시킬 수 있음이 확인되었는데, 25℃의 100% 가습 환경에서 측정된 수소 이온 전도도는 NMP : DMAc 50:50 부피/부피-%에서 최대 1.38×10 -1 S/cm이었다.

In this study, we prepared porous cation exchange membrane using polystyrene such as, EPS (expanded polystyrene), SAN (styrene acrylonitrile copolymer) and HIPS (high impactive polystyrene). These polystyrenes were sulfonated by acetyl sulfate to make porous cation exchange membrane such as, SEPS, SSAN, SHIPS. SEM was employed to confirm porous structure of membrane, and IR spectroscopy was used to confirm sulfonation rate of ion exchange membrane. Water and methanol content were also increased with amount of sulfuric acid in reactants. SSAN-20 showed the highest value in water and methanol content. Fixed ion concentration and conductivity was also increased with an amount of sulfuric acid in reactants. Methanol permeability for SEPS-20, SSAN-20, SHIPS-20 was found to be 1.326 × 10-5 cm2/s, 1.527 × 10-5 cm2/s and 1.096 × 10-5 cm2/s respectively. From the result of electrodialysis experiment in 0.03 M Pb(NO3)2 aqueous solution, anion exclusion and cation selection effects were confirmed.

Bipolar plates require some specific properties such as electrical conductivity, mechanical strength, chemical stability, and low permeability for the fuel cell application. This study investigated the effects of carbon nanotube (CNT) contents and process conditions of hot press molding on the electrical and physical properties using CNT 3~7 wt% added graphite nano-composites in the curing temperatures range of 140~200℃ and pressure of 200~300 kg/cm2. Bulk density, hardness and flexural strength increased with increasing CNT contents, curing pressure and temperature. With the 7 wt% CNT added noncomposite, the electrical resistance improved by 30% and the flexural strength increased by 25% as compared to that without CNT at the temperature of 160℃ and pressure of 300 kg/cm2. These properties were close to the DOE reference criteria as bulk resistance of 13 mΩcm and tensile strength of 515 kg/cm2.

본 연구에서는 SEBS와 여러 가지의 유기화물로 처리된 MMT type의 clay를 이용하여 SSEBS-clay 하이브리드 막을 용액법으로 제조하였다. clay의 함량은 5 phr로 고정하였다. 용액법을 사용하여 clay를 SEBS에 분산시켰으며, 제조된 SSEBS-clay 하이브리드에서 clay의 특성피크가 완전히 박리되거나 이동하는 XRD 결과로부터 고분자의 clay 층간삽입을 확인하였다. Clay의 종류에 따라서 제조된 SSEBS-clay 하이브리드 막의 가스투과도, 기계적 물성 및 열적 성질을 측정하였다. SSEBS-clay 하이브리드 막은 clay 자체의 도입과 층간거리의 확대로 기체분자의 tortuosity를 증가시켜서 가스투과도를 저하시키는 것을 확인하였다.

술폰화 폴리스티렌/테플론(Polystyrene/Teflon, 이하 'PS/PTFE'로 칭함) 복합막을 제조하여 직접 메탄을 연료전지용 막에 관한 특성을 조사하였다. 복합막은 다음과 같이 제조되었다. 먼저 다공성 테플론 필름에 styrene 단량체와 가교제인 diviny benzene (이하 'DVB'로 칭함)의 비율을 달리하면서, 개시제 2,2'-azobis(isobutylonitlie) (AIBN)와 함께 함침시킨 후 열을 가해 폴리스티렌/테플론 복합막을 제조하였다. 그 후 술폰화제인 chlorosulfonic acid와 1,2-dichloroethane혼합용액을 사용하여 술폰화된 복합막을 제조하였다. 제조된 복합막의 술폰화 전과 후의 물리화학적 구조는 ATR-FTIR, SEM, THF 및 물에 대한 함유율, 이들의 이온교환량을 통하여 확인하였다. 이러한 결과로부터 스티렌/디비닐벤젠의 비율에 따라 복합막이 성공적으로 제조되었음을 확인하였다. 또한 가교제인 디비닐벤젠의 함량이 높을수록, 가교도가 증가하여 물 및 THF에 대한 함유율이 감소하였다. 이온전도도, 메탄올투과도를 조사한 결과, 디비닐벤젠의 함량 증가와 함께 이온전도도는 감소하였으며, 메탄올 투과도가 감소하였다. 제조된 술폰화된 폴리스티렌/테플론 복합막은 Nafion(R) 과 비교할 만한 높은 이온 전도도(0.11∼0.08 S/cm, 25℃)를 보이면서 훨씬 낮은 메탄올 투과도(6.6×10-7∼1.3×10-7 cm2/s)를 나타내었다. 이러한 결과들은 본 연구에서 개발된 복합막이 직접 메탄올 연료전지에 적용될 가능성이 높다는 것을 보여준다.

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is considered as a candidate technology for applications in stationary, transportation as well as electronic power generation purposes. To develop a high performance direct methanol fuel cell(DMFC), a competent electrolyte membrane is needed. The electrolyte membrane should be durable and methanol crossover must be low. One of the approaches to increase the stability of generally used polymer electrolyte membranes such as Nafion against swelling or thermal degradation is to bond it with an inorganic material physically or chemically. In Noritake Company, we have developed a novel method of reinforcing the polymer electrolyte matrix with inorganic fibers. Methanol crossover values measured were significantly lower than the original polymer electrolyte membranes. These fiber reinforced electrolyte membranes (FREM) were used for DMFC study and stable power output values as high 160 mW/cm2 were measured. The details of the characteristics of the membranes as well as I-V data of fuel cell stacks are detailed in the paper.

본 연구에서는 설폰기를 함유한 sulfosuccinic acid를 가교제로 사용하였다. 또한, 메탄을 투과도를 줄이기 위해 실리카를 졸-겔 방법을 사용하여 성장시킨 PVA/Silica 하이브리드막을 제조하여 수소 이온 전도도 및 메탄을 투과도에 관하여 연구하였다. 수소 이온 전도도 및 메탄을 투과도는 가교제 농도 및 친수성 SO3H의 함량에 영향을 받았으며, 제조된 막의 수소 이온 전도도는 10-3~10-2 S/cm 범위에 있었고, 메탄을 투과도는 10-8~10-7;cm2/s 를 갖는다.

직접메탄올연료전지에 사용가능한 이온교환막을 개발하기 위하여 본 연구에서는 폴리설폰을 설폰화시켜 양이온교환막을 제조하였고 그에 대한 특성을 150℃에서 열처리 전과 후를 통해 메탄을 투과도, 이온전도도, 이온교환용량 그리고 함수율 등에 대하여 평가하였다. 폴리설폰 고분자의 단량체와 설폰화제의 몰비가 1.4일 때 메탄올 투과도는 2.87×10-7 ;cm2/s(열처리 안함), 1.52×10-7; cm2/s(열처리함)과 이온전도도는 1.10×10-2; S/cm (열처리안함), 0.87×10-2; S/cm(열처리함)을 각각 보여 주었다. 그 이후의 몰비에서는 거의 증가하지 않았으며, 이러한 경향은 함수율과 이온교환용량에서도 같은 경향을 보여주었다.

Performance of direct methanol fuel cell using high porous active carbon as an uncatalysed diffusion layer in anode (composite electrode) has been evaluated. Effects of porous active carbon in anode were investigated by galvanostatic method and Fourier Transform Infrared spectroscopy. The single cell was operated with 2.5 M methanol at temperature of 80-120℃ and showed performance of 210-510 mA/cm2 at 0.4V. By replacing conventional electrode with composite electrode, the increment of 290 mA/cm2 in current density was obtained at 90℃and 0.4V. The potential decay of the single cell was about 14.5% for 20 days operation.