[논문]연료전지용 불소화 폴리벤즈이미다졸 양성자 교환 멤브레인 합성 및 특성평가

김애란

doi:10.7316/khnes.2017.28.1.24

연료전지용 불소화 폴리벤즈이미다졸 양성자 교환 멤브레인 합성 및 특성평가
Synthesis and Characterization of Fluorinated Polybenzimidazole Proton Exchange Membranes for Fuel Cell 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.1, 2017년, pp.24 - 29

김애란 (캔유텍 연구개발센터)

Abstract ▼ AI-Helper

A fluorinated polybenzimidazole (FPBI) was synthesized from 3,3-diaminobenzidine (DAB) of tetraamine, 2,2-bis(4-carboxyphenyl)hexafluoropropane of aromatic biscarboxylic acid, and 4,4-sulfonyldibenzoic acid of aromatic biscarboxylic acid in polyphosphoric acid (PPA). A FPBI was easily cast and made into clear films. The structure of condensation polymers and corresponding membranes were analyzed using GPC (gel permeation chromatography), $^1H$-NMR ($^1H$ nuclear magnetic resonance) and FT-IR (fourier transform infrared). TGA (thermogravimetric analysis) analysis showed that the prepared membranes were thermally stable, so that elevated temperature fuel cell operation would be possible. The proton conductivity of the FPBI membranes increased with increasing temperatures in the polymer. A FPBI membrane has a maximum ion conductivity of 45 mS/cm at $90^{\circ}C$ and 100% relative humidity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문에서는 충분한 유기용매에 용해성 및 열적 특성을 유지하는 분자변형을 통해 비정질, 유기용해성, 유연성의 신규 불소화 폴리벤즈이미다졸(FPBI)고분자를 설계하고 합성한 후, 프로톤 전도성FPBI 멤브레인은 용액 주조법을 통해 제막하여 그특성을 연구하고자 한다.

제안 방법

방향족 테트라아민인 3,3-diaminobenzidine, 비스카복실릭에시드인 2,2-bis (4-carboxyphenyl) hexa-fluoropropane 및 비스카복실릭에시드인 4,4-sulfo-nyldibenzoic acid를 한 단계 고분자축합반응으로 설계하고 합성하여 불소화 폴리벤즈이미다졸(FPBI) 고분자 멤브레인을 연구하였다.

대상 데이터

3,3-Diaminobenzidine (DAB), 2,2-bis(4-carbox-yphenyl)hexafluoropropane, 4,4-sulfonyldibenzoic acid, polyphosphoric acid (PPA), N,N-dimethylacetamide (DMAc), dimethyl sulfoxide (DMSO), tetrahydrofur-an (THF), toluen은 Sigma–Aldrich 사에서 구입하였으며, N,N-dimethyl formamide (DMF, 99.0%), 무수탄산칼륨(K₂CO₃)은 삼전화학에서 구입하여 사용하였다. ;

성능/효과

FPBI 고분자 멤브레인의 양이온 전도도는 온도증가에 따라 증가하여 90℃ 온도 및 100% 상대습도 조건에서 45 mS cm^-1 양성자 이온전도도를 나타내었다.
합성된 고분자와 멤브레인은 FT-IR, ¹H-NMR, 용해도 특성, GPC 분석으로 확인하였으며, 고분자 멤브레인의 열적 안정성은 TGA로 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리벤즈이미다졸(PBIs)의 주요 사용처는?	또한폴리벤즈이미다졸(PBIs)은 높은 온도(최대 200℃) 에서 열 안정성과 기계적 특성을 제공하기 때문에 많은 관심을 받았으며, 무수조건에서 낮은 메탄올크로스오버와 높은 양성자전도성을 가지며 고온(>100℃)에서 연료전지 응용분야에서 매력적인 후보가 된다12-14). 양성자 교환 막에 주로 사용되는 PBI는 poly[2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole]이다. 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸]은 기계적 성질이 매우 우수하지만 매우 단단한 분자구조를 가지므로 양성자 전달에는 좋지 않다.
	MEA는 무엇인가?	고분자전해질 막 연료전지의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극(anode, cathode), 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판(separator)으로 이루어져졌다. 특히 anode와 cathode의 두 전극을 고분자전해질 막에 고온압착(hot-pressing) 방법으로 부착시킨것을 고분자전해질 막-전극 접합체(membrane-elec-trode assembly, MEA)라고 하는데, 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.
	Nafion의 특성은?	고분자전해질 연료전지용 전해질막은 열적 ․ 화학적 안정성, 기계적 강도, 전도성, 연료투과성의 성능이 요구되며, 현재는 Nafion이나 Flemion 등으로 대표되는 불소계 고분자 전해질막이 널리 이용하고 있다1-4). 그러나 저온 운전용 PEMFC의 경우 현재 가장 일반적으로 사용되는 Nafion은 perfluorosulfonic acid 계 고분자로서 높은 상대습도 조건에서 우수한전도도를 나타내고 있으며, 화학적 안정성과 기계적강도도 높지만5-6), 낮은 수화도에서 낮은 전도도 특성, 고온에서의 부실한 기계적 강도, 낮은 유리 전이온도 등의 문제점과 함께 무엇보다도 불소화 공정에 따른 지나치게 높은 가격이 문제되어 PEMFC의 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 불소계 전해질막을 대체할 수 있는 고분자막을 얻기 위하여 다른 술폰화고분자, 예를 들어 폴리이미드7-8), 폴리술폰9), 폴리(프탈라지논)10), 폴리페닐렌, PEEK (poly ether ether ketone)11) 등 여러 가지 고분자가 개발되었다.

참고문헌 (20)

C. Heitner-Wirguin, "Recent advances in perfluorinated ionomer membranes: structure, properties and applications", J. Membr. Sci., 120, 1996, pp. 1-33.

상세보기
K. A. Mauritz, R. B. Moore, "State of understanding of nafion", Chem. Rev., 104, 2004, pp. 4535-4586.

상세보기
V. Ramani, H. R. Kunz, J. M. Fenton, "Investigation of nafion/HPA composite membrnaes for high temperature/ low relative humidity PEMFC operation", J. Membr. Sci., 232, 2004, pp. 31-44.

상세보기
Q. Li, R. He, Q. O. Jensen, N. J. Bjerrum, "Approaches and recent development of polymer electrolyte membranes for fuel cells operating above $100^{\circ}C$ ", Chem. Mater, 15, 2003, pp. 4896-4915.

상세보기
J. A. Kerres, "Development of ionomer membranes for fuel cells", J. Membr. Sci., 185, 2001, pp. 3-27.

상세보기
M. Rikukawa, K. Sanui, "Proton-conducting polymer electrolyte membranes based on hydrocarbon polymers", Prog. Polym. Sci., 25, 2000, pp. 1463-1502.

상세보기
Y. Woo, S. Y. Oh, Y. S. Kang, B.S. Jung, "Synthesis and characterization of sulfonated polyimide membranes for direct methanol fuel cell", J. Membr. Sci., 220, 2003, pp. 31-45.

상세보기
C. Genies, R. Mercier, B. Sillion, R. Petiaud, N. Cornet, G. Gebel, M. Pineri, "Stability study of sulfonated phthalic and naphthalenic polyimide structures in aqueous medium", Polymer, 42, 2001, pp. 5097-5105.

상세보기
F. Lufrano, I. Gatto, P. Staiti, V. Antonucci, E. Passalacqua, "Sulfonated polysulfone ionomer membranes for fuel cells", Solid State Ionics, 145, 2001. pp. 47--51

상세보기
Y. Gao, G.P. Robertson, M.D. Guiver, X.G. Jian, "Synthesis and characterization of sulfonated poly(phthalazinone ether ketone) for proton exchange membrane materials", J. Polym. Sci., Part A, Polym. Chem., 41, 2003, pp. 497-507.

상세보기
Y.J. Liu, X.G. Jian, S.J. Liu, "Synthesis and properties of novel poly(phthalazinone ether ketone ketone)", J. Appl. Polym. Sci., 82, 2001, pp. 823-826.

상세보기
L. Xiao, H. Zhang, T.Jana, E.Scanlon, R.Chen, E-W. Choe, L.S. Ramanathan, S.Yu, B.C. Benicewicz, "Synthesis and characterization of pyridine-based polybenzimidazoles for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell applications", B. C. Fuel Cells, 5, 2005, pp. 287-295.

상세보기
H. J. Kim, S. J. An, J. Y. Kim, J. K. Moon, S. Y. Cho, Y. C. Eun, H. K. Yoon, Y. M. Park, H. J. Kweon, E. M. Shin, "Polybenzimidazoles for high temperature fuel cell applications", E. M. Macromol Rapid Commun, 25, 2004, pp. 1410-1413.

상세보기
S. W. Chuang, S. L. C. HSU, "Synthesis and properties of a new fluorine-containing polybenzimidazole for high- temperature fuel-cell applications", J. of Polym. Sci., Part A, Polym. Chem., 44, 15, 2006, pp. 4508-4513

상세보기
R. F. Hutzler, D. L. Meurer, K. Kimura, P. E. Cassidy, "Synthesis and chacaterization of polybenzazoles containing hexafluoroisopropyl idene", High perform. polym., 4, 1992, pp. 161-171.

상세보기
Y. Suegusa, M. Horikiri, S. Nakurnura, "Aromatic polybenzimidazoles from 4,4''- (hexafluoroisopropy1idene)dibenzoic acid and aromatic tetramine tetrahydrochlorides", Macromol. Chem. Phvs., 198, 1997, pp. 619-625.

상세보기
G. Kumar, A. R. Kim, K. S. Nahm, D. J. Yoo, R. Elizabeth, "High ion and lower molecualr transportation of the poly vinylidene fluoride-hexa fluoro propylene hybrid membranes for the high temperature and lower humidity direct methanol fuel cell applications", J. Power Sources, 195, 2010, pp. 5922-5928.

상세보기
D. J. Yoo, S. H. Hyun, A. R. Kim, G. G. Kumar and K. S. Nahm, "Novel sulfonated poly (arylene biphenylsulfone ether) copolymers containing bisphenylsulfonyl biphenylmoiety: structural, thermal, electrochemical and morphological characteristics", Polym. Int., 60, 2011, pp. 80-92.
A. R. Kim, "Synthesis and characterization of di and triblock copolymers containing a naphthalene unit for polymer electrolyte membranes", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy society, 27, 6, 2016, pp. 660-669.

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A. R. Kim, M. Vinothkannan, D. J. Yoo, "Sulfonated-fluorinated copolymer blending membranes containing SPEEK for use as the electrolyte in polymer electrolyte fuel cells (PEFC)", Int. J. Hydrogen Energy, In press, corrected proof, available online 18 december 2016. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.11.161.

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