연료전지 핵심 소재인 고분자 전해질막은 높은 내화학성과 수소이온전도성을 갖는 과불소계 술폰산 이오노머가 주로 사용된다. 하지만 이러한 이오노머조차도 연료전지 구동 중 발생하는 라디칼 공격으로 인해 화학적 분해가 발생하여 장 기 내구성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이를 완화하기 위해 라디칼 스캐빈저로 도입이 간편한 이온형 산화방지제를 적용하고 있으나, 연료전지 구동 중 전극 간 전위차에 의해 세륨 이온이 이동(cerium ion migration)하는 현상으로 스캐빈저 효과가 감 소하는 문제가 있다. 본 연구에서는 강화막 내에서 세륨 이온의 이동성을 조절하기 위한 방안으로 폴리에틸렌글리콜(PEG) 도입을 제시하였으며, 이를 통해 PEG 도입이 강화막의 내구성에 미치는 영향을 조사하였다.

막 축전식 탈염 공정(membrane capacitive deionization, MCDI)은 이온교환막을 다공성 전극과 함께 사용하여 탈 염 효율을 향상시킬 수 있는 CDI 공정의 변형이다. 이온교환막은 MCDI의 성능에 큰 영향을 미치는 핵심 구성요소이다. 본 연구에서는 MCDI의 탈염 효율을 크게 향상시킬 수 있는 이온교환막의 최적 제조 인자를 도출하고자 하였다. 이를 위해 PE 다공성 필름의 세공에 단량체를 충진하고 in-situ 광중합을 진행하여 세공충진 이온교환막(pore-filled ion-exchange membranes, PFIEMs)을 제조하였다. 실험 결과, 제조된 PFIEMs은 다양한 탈염 및 에너지 변환 공정에 적용할 수 있는 수준의 우 수한 전기화학적 특성을 나타내었다. 또한, MCDI 성능과 막 특성 인자와의 상관성 분석을 통해 막의 가교도를 제어하여 막 의 전기적 저항이 충분히 낮은 범위에서 이온 선택 투과성을 최대화하는 것이 MCDI의 성능 향상을 위해 가장 바람직한 막 제조 조건이라는 결론을 얻었다.

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.

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.

Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) random copolymers have been perceived as membrane materials alternative to perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers, since they are cheap and chemically tunable when compared with PFSA. Moreover, their relatively low gas permeability, particularly to hydrogen, contributes to reduced thermal decomposition of membrane-electrode assemblies. In spite of their advantages, freestanding SPAES copolymers have critical issues associated with chemical/electrochemical durability as well as interfacial resistance with electrodes. In this study, SPAES-PTFE reinforced membranes are fabricated using consecutive membrane formation protocols, (e.g., SPAES nanodispersion in water-alcohol mixtures, spontaneous pore-filling, and solvent-assisted thermal treatment techniques) and systematically evaluated.

Perfluorinated sulfonic acid ionomers have been used as representative membrane materials in a wide range of applications. Though PFSA ionomers have been well known as chemically durable materials, their chemical resistances should be improved further to apply them to practical fuel cell systems operated under harsh conditions. One plausible solution would be to fabricate reinforced membranes composed of proton-conducting ionomers and chemically durable porous support films. In this study, pore-filling membranes are prepared via the impregnation of PFSA ionomers into porous PTFE support films. The objective of this study is to systematically investigate the influences of pore characteristics on proton transport behavior and electrochemical single performances.

Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been widely used as membranes in the fields of green power generation and electrolysis. In spite of their high ion-conducting properties, it is difficult to apply them in the freestanding membrane state to harsh operation conditions owing to their chemical and electrochemical degradation issues. A promising membrane concept to satisfy this purpose would be “pore-filling membrane” composed of PFSA ionomers and porous PTFE support films. In this study, the porous PTFE support film treated with a cheap hydrophilic polymer is used as a reinforced material. Interestingly, the resulting PFSA-PTFE pore-filling membranes exhibit an extremely high proton conductivity with a fairly reduced ionomer content, which may give a valuable information to design a desirable pore-filling membrane.

화학적 안정성이 양호하고, 제막조건이 온화한 재료인 poly(vinylidene fluoride) (PVDF)를 주재료로 사용하여 용매, 첨가제, 혼합고분자 및 제막조건의 변화에 따른 고강도 친수성 정밀여파(microfiltration, MF) 중공사 분리막의 실험에 의해 고찰하였다. 제조된 MF 중공사막의 막성능은 평균 공경 0.3 μm, 인장강도 42kgf/㎠, 순수 투과유량은 600 LMH을 얻었다. 제막과정에서 다양한 첨가제의 막성능을 검토한 결과는 순수투과유량과 제거율에 상당한 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. MF막의 친수성을 개선하기 위해 소수성 PVDF와 상호 용해성 이 좋은 친수성 poly(methyl methacrylate) (PMMA)를 혼합하여 투과성능과 제거율을 개선한 우수한 친수성 MF막을 제조할 수 있었다.

본 연구에서는 연료전지용 강화 복합막 지지체 제조를 위해 높은 다공성을 가지는 PVdF 평막을 제조하였다. 높은 다공도로 인한 낮은 기계적 강도를 보완하기 위한 방법으로 나노 사이즈의 laponite를 막 내에 분산시켰다. 제조된 PVdF/Laponite 복합막의 모폴로지 및 다공도는 SEM 분석 및 무게 중량법을 사용하여 평가하였고, 60% 이상의 다공도를 보였다. 첨가된 laponite 함량에 따른 막의 열적 안정성은 105℃, 135℃에서의 수축률을 이용하여 평가하였으며, laponite 함량이 5%일 때 135℃에서 MD와 TD방향으로의 열 수축률 2~3%와 2~3.5%를 나타내었다. Laponite 첨가 후 막의 기계적 강도가 향상되었으며, 순수 PVdF 막에 비해 약 30%의 모듈러스 증가를 나타내었다.

본 연구에서는 연료전지용 전해질 복합체용 지지체 막을 저가의 우수한 기계적 열적 안정성을 가지는 Polysulfone으로 상전이 법을 이용하여 제조하였다. 제조된 막을 이용하여 농도변화와 노출시간의 변화에 따른 열 수축율, 통기도, 모폴로지, 기계적 물성 및 다공도를 측정하였다. 모폴로지를 조절하기 위해 공기 중 노출 시간과 고분자 농도가 제어되었으며, 제조된 막은 고분자 농도 변화에 관계없이 모두 스폰지 구조를 나타내었다. 고분자의 농도가 증가함에 따라 기계적 열적 안정성은 증가하였지만, 다공도는 감소하는 결과를 보였다. 실험결과 20 wt%의 PSf 고분자 용액을 사용하여 2분의 노출시간을 두고 제조된 고분자 막에서 연료전지용 복합막으로 사용되기 위한 충분한 다공도(80%)와 기계적(tensile : 1.3 MPa), 열적(MD, TD shrinkgage < 1%) 안정성을 나타내었다.

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.