부산대학교 도서관

최근 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 우수한 에너지 변환특성과 전력밀도 특성으로 자동차 및 전자부품의 동력원으로 각광받고 있다. 이러한 PEMFC에 필수적인 부품의 하나인 polymer electrolyte membrane은 높은 이온전도성과 산화 환원에 대한 안정성 그리고 우수한 기계적 강도가 요구되어진다. 현재 PEMFC에 사용되어지고 있는 Nafion membrane은 과불소계 membrane으로서 이러한 특성을 가진 membrane이라고 할 수 있다. 그러나 Nafion membrane을 PEMFC에 장시간 사용하였을 경우 전기전도도의 감소와 촉매효과가 감소하는 단점이 나타났으며, membrane의 가격 또한 높아서, Nafion membrane을 대체할 수 있는 새로운 membrane의 개발에 많은 연구가 집중되고 있다. 일반적으로 새로운 membrane의 개발에는 탄화수소계 polymer electrolyte membrane의 합성, 과불소계 폴리머들의 개질 및 전극과 membrane 사이의 표면개질, PVdF(polyvinylidene fluoride)와 같이 기계적 특성과 내열성이 우수한 다공성 지지체를 이용하여 탄화수소 고분자와의 composite membrane을 제조하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 electrospinning 방법을 이용하여 PVdF nanofiber membrane 을 만들고 polystyrene(PS) 을 기공에 pore-filling 하였다. 제조된 membrane 은 sulfonation 반응을 거쳐 최종적으로 s-PS/PVdF nanofiber reinforced composited membrane 을 제조하였다. SEM 을 통하여 nanofiber 가 잘 형성 되었음과 polystyrene의 pore-filling를 잘 되었음을 확인 하였다. 또한 FT-IR 을 통하여 sulfonate group 존재를 확인하였다. Pore-filling 용액 중 DVB의 양을 변화시켜 제조된 각 샘플의 IEC, proton conductivity, water uptake 의 변화를 측정하고 상용화된 Nafion과 비교함으로써 최적 성능의 조건을 찾고자 하였다. 또한 MEA test 와 long term stability test 를 실시하여 PEMFC 용 ion exchange membrane 으로써의 활용가능성을 평가하였다. 제조된 s-PS/PVdF composite membrane 의 IEC (1.82 meq/g) 와 Proton conductivity (0.1 S/cm), water uptake (432%) 값이 상업적 membrane인 Nafion (0.9 meq/g, 0.09 S/cm, 22%) 보다 우수하게 나타났으며 MEA test 에서도 Nafion 에 준하는 성능을 나타내었다. 이는 본 연구에서 제조된 s-PS/PVdF composite membrane 이 PEMFC 용 ion exchange membrane 으로써의 적용이 가능함을 보여주었다. 하지만 long term stability test에서 ion exchange membrane 으로써 요구되는 20,000 시간에 미치지 못하여 보완연구가 필요함을 알 수 있었다.
The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) has recently been popular as a power source for cars and electric components because of good characteristics of energy conversion and power density. The requirements for the polymer electrolyte membrane, which is the one of major parts in the PEMFC are high proton conductivity, stability to oxidation and reduction, and good mechanical strength. It has been known that Nafion, perfluorinated membrane, used for PEMFC satisfies those requirements. But since Nafion shows several disadvantages such as high price, and decrease of proton conductivity and effectiveness of catalyst after long time use many researches have focused on the development of new membranes. Generally there are several ways to develop new membranes such as a synthesis of hydrocarbon polymer electrolyte membrane, modification of perfluorinated polymer, surface modification between electrode and membrane, and preparation of reinforced composite membrane with hydrocarbon polymer and polyvinylidene fluoride(PVdF), having the good mechanical properties and thermal stability. In this study the PVdF nanofiber membranes were prepared with the electrospinning method, and then polystyrene(PS) filled in the pores of membrane by using the pore-filling method. These pore-filled membranes were sulfonated, then the final s-PS/PVdF nanofiber reinforced composited membranes were prepared. It was confirmed with SEM that polystyrene was filled in the pores of all PS/PVdF nanofiber composite membranes and that the nanofiber formed well. FT-IR also confirmed that peaks of sulfonate groups existed in the s-PS/PVdF nanofiber reinforced composite membrane. IEC, proton conductivity and water uptake were measured at various DVB content in the pore-filling solution, and the conditions for the optimized performance were investigated by the comparison with Nafion. Adding to that the application possibility as an ion-exchange membrane for PEMFC was also evaluated by the MEA test and the long term stability test. It was shown that s-PS/PVdF nanofiber reinforced composite membranes had higher IEC (1.82 meq/g), better proton conductivity (0.1 S/cm), and higher water uptake (432%) than those of the commercial membrane, Nafion (0.9 meq/g of IEC, 0.09 S/cm of proton conductivity, 22% of water uptake). The results from the MEA test indicated that the reinforced composite membrane has a high potential for the application of PEMFC as an ion-exchange membrane. However, since the long term stability test has still not reached the objective of operation time of PEMFC (20,000 hrs) further studies are necessary to commercialize the reinforced composite membrane.