Nafion/silica nano composite membranes

Abstract

현재 가장 널리 알려지고 우수한 성능의 연료전지용 고분자 전해질인 Nafion은 높은 이온전도도와 화학적 안정성을 지닌 반면에, 고온에서의 성능 낮은 이온전도도도 및 높은 메탄올 투과도로 인한 성능저하라는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해, Nafion 매트릭스에 나노사이즈의 실리카 무기물 입자를 불소계 계면활성제를 도입하여 나노복합막을 제조하여, 혼화성을 높이고, 성능 향상을 가져왔다. 특히 소수성의 실리카를, 말단기에 설폰산기를 갖는 불소계 계면활성제(Zonyl TBS)를 이용하여 기존의 졸-젤법이 아닌 물리적 혼합방법을 통해 보다 간편하고 효과적인 분산을 통해서 메탄올 투과도를 줄이고, 이온전도도, 치수 안정성등에 향상을 가져왔다. 또한 240oC의 열처리를 통해 Nafion 복합막의 기계적 성질을 강화하였으며, Nafion과 계면활성제의 설폰산 그룹을 통해서 우수한 이온교환용량을 나타내었다. 직접 메탄올 연료전지 성능평가는 1M, 3M, 5M 메탄올에서 Nafion117과 비교하여 실험을 진행하였는데, 높은 농도에서 보다 높은 성능을 알 수 있었다. 이는 소수성 실리카가 친수성의 메탄올 투과를 현저하게 줄여 준다는 것을 의미한다. 특히 5M에서 Nafion117에 비하여 TBS를 이용한 나노복합막은 약 2배의 높은 성능을 가져왔다.; Organic-inorganic nanocomposite membranes were successfully fabricated by well dispersing nano-sized silica particles in Nafion matrix with some dispersants having different ionic characteristics. Here, the surfactants acted as dispersants to distribute the silica nanoparticles and as additives to affect physico-chemical and electrochemical properties of the composite membranes at the same time. The composite membranes exhibited improved proton conductivity and reduced methanol permeability after adding even 1 wt% of the silica nanoparticles, irrespective of the surfactants. Interestingly, the anionic surfactants as additional proton sources contributed to the promotion of proton conductivity of the composite membranes. In particular, Zonyl TBS, fluorosurfactant with a sulfonic acid group at the terminal end, showed high compatibility with Nafion composed of similar perfluorinated backbone having the same acid functionality. Accordingly, the interaction between the surfactant and Nafion matrix became strong, which resulted in a compact polymer structure with high dimensional stability and much improved methanol barrier property. The composite membranes showed better single cell performances via a synergistic effect of higher proton conductivity and lower methanol permeability than those of the other membranes. This electrochemical improvement was prominent under high methanol concentration.