A Solution to Free Radical-induced Decomposition of Polymer Electrolyte Membranes

Abstract

가교 술폰화 폴리이미드 실리카 막에서 수화안정성을 확보하여 연료전지용 고분자 전해질 막으로서의 성능을 향상시켰다. 이에 본 연구에서는 무기물로서 나노사이즈의 실리카와 함께 라디칼 흡습제를 도입하여 연료전지 작동시 발생하는 라디칼의 공격으로부터 전해질을 보호하여 장시간 구동에서 나타나는 문제점을 해결하고자 하였다. 특히, 상용화제인 풀르로닉을 사용하여 실리카와 라디칼을 흡습제를 균일하게 분산하는 동시에, 가교제로서 수소이온전도도의 상쇄없이 함수율 조절을 통해 메탄올 투과도를 감소시키고자 하였다. 흥미롭게, 실리카와 라디칼 흡습제의 도입으로 함수율, 수소이온전도도, 그리고 메탄올 투과도와 같은 전해질의 성능에 많은 영향을 주었는데, 가교의 효과로 함수율을 낮추고, 메탄올 투과도 (P = 8.96×10^(-8) cm²sec^(-1)) 를 감소시켰다. 수소이온전도도의 측면에서 봤을 때, 가교하지 않은 전해질 막에 비해 약 2배의 상승효과를 가져왔다 (9.46×10^(-2) Scm-1). 또한, 라디칼 안정성 측면에서는, 가교 술폰화 폴리이미드에 비해 약 3배의 안정성 확보를 확인하였다. 실리카와 라디칼 흡습제를 도입하여 제조한 가교 술폰화 폴리이미드 전해질 막 성능을 평가하였을 때, 적절한 라디칼 흡습제의 함량은 2 wt.%라고 여겨진다.; Crosslinked sulfonated polyimide (XSPI)-silica (SiO₂)-R nanocomposite membranes were fabricated as proton exchange membrane (PEM) for fuel cells. The well-known commercial surfactant, Pluronic？, was used as a dispersant to distribute nanosized SiO₂ and R particles homogeneously in the XSPI matrix. Simultaneously, crosslinkers were also used in order to control water swelling to an appropriate level and to decrease methanol permeability without any loss of proton conductivity. Interestingly, SiO₂ and R particles with Pluronics？ significantly influenced the membrane performances such as water uptake, proton conductivity, and methanol permeability. The combination of crosslinking and addition of SiO₂ and R particles led to reduced water uptake and very low methanol permeability (P = 8.96？10-8 cm2sec-1). The proton conductivity of the resulting XSPI-SiO₂-R composite membranes reached at 9.46？10-2 Scm-1 at 30 oC, which is about two times higher than that of Pristine SPI measured at the same temperatures. Also, an approach to improve membrane stability to hydrogen peroxide radicals was investigated via incorporation of organometallic complex including R particle. Surprisingly, the enhancement of oxidative stability was remarkable in XSPI- SiO₂-R nanocomposite (~6 days) compared with XSPI (~2.7 days). Considering overall membrane performances, XSPI-SiO₂-R nanocomposite membranes with 2 wt.% R content is most desirable.