Proton conductivity deterioration and recovery of Nafion membrane at elevated temperature.

Abstract

현재 Nafion membrane은 높은 수소 이온 전도도와 물리∙ 화학적으로 높은 안정성을 보여 연료전지용 membrane으로 크게 각광 받고 있다. 그러나 연료의 crossover나 높은 온도에서 낮은 수소 이온 전도도를 갖는 등 실제 적용에 있어서 많은 한계점들을 갖고 있다. 본 연구는 높은 온도(120~150℃)에서 Nafion membrane의 수소이온 전도도가 감소하는 원인을 관찰하였다. 높은 온도에서 aging의 전과 후의 차이점을 알아보고자 실험 단계 마다 수소이온 전도도, 함수율, IEC, 전도도-IEC, TGA, XPS 그리고 FT-IR 등으로 분석하였다. 열처리 또는 annealing을 한 Nafion membrane은 수소 이온 전도도, 함수율, 그리고 IEC값이 감소하였다. 이것을 다시 산 처리 하였을 경우 수소 이온전도도, 함수율, 그리고 IEC 값이 회복되는 것을 확인하였다. 수소 이온 전도도와 IEC값의 변화는 ionic cluster를 이동 할 수 있는 수소이온 양의 변화를 나타내고, 이것은 두 값의 비례관계로 확인하였다. TGA로부터 aN-48h와 aN150-48h는 다른 membrane에 비해 더 좋은 열 안정성을 보였다. XPS분석에서는 aN-48h와 aN150-48h에서 소수성 성질을 나타내었으며 산 처리 후 다시 친수성 성질을 갖는 경향을 나타내었다. Nafion membrane은 48시간 열처리 후 1440cm-1 에서S-O-S의 결합으로 생각 되어지는 흡수 피크가 생성되는 것을 FT-IR로 확인하였다. 결론적으로 48시간 열처리 후 친수성인 sulfonic acid group간 dehydration으로 인해 IEC값이 작아지고 proton conductivity 또한 감소하였다. Dehydrated nafion membrane을 다시 산 처리 하였을 경우 소수성인 S-O-S 결합의 가수분해로 sulfonic acid group의 양과 IEC값 그리고 proton conductivity가 회복 됨을 보여주었다