초록 ▼

연료전지는 자연계 및 인공으로 연료를 지속적으로 공급받을 수 있는 장점이 있다. 연료전지 중, 직접메탄올연료전지(DMFC)와 고분자전해질막연료전지(PEMFC)는 지속적인 연료 공급이 가능하고 전력원으로 확장성이 뛰어난 장점이 있다. 연료전지에서 고분자전해질막은 연료전지의 전극과 전극사이를 분리시키고 양성자를 전도시키는 역할을 수행하는 것으로 핵심부품 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 전기방사법으로 불소계 고분자인 poly(vinylidene fluride)(PVdF) 나노섬유를 제조하고 전자빔을 이용하여 PVdF 나노섬유 표면에

연료전지는 자연계 및 인공으로 연료를 지속적으로 공급받을 수 있는 장점이 있다. 연료전지 중, 직접메탄올연료전지(DMFC)와 고분자전해질막연료전지(PEMFC)는 지속적인 연료 공급이 가능하고 전력원으로 확장성이 뛰어난 장점이 있다. 연료전지에서 고분자전해질막은 연료전지의 전극과 전극사이를 분리시키고 양성자를 전도시키는 역할을 수행하는 것으로 핵심부품 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 전기방사법으로 불소계 고분자인 poly(vinylidene fluride)(PVdF) 나노섬유를 제조하고 전자빔을 이용하여 PVdF 나노섬유 표면에 스타일렌 단위체를 그라프트시키고 술폰산기를 변형시켜 연료전지용 고분자전해질막을 개발하고자하였다.
제조된 나노섬유 및 고분자전해질막은 적외선분광기(FT-IR), 열분석(TGA), 주사전자현미경(SEM) 및 그라프트률, 물과 메탄올의 cross-over 현상, 이온교환 능력, 술폰산기 변형률, 전기전도도 측정을 통하여 특성평가를 하였다.
10 - 50 kGy 전자빔 조사 시, polystyrene(PS) 그라프트률은 10.4 - 56.9% 이였으며 단위체 중합도는 1.19로 기존의 결과와 비교 시, 약 2.5배 향상된 결과를 얻었다. 또한 cross-over 현상 연구에서 메탄올 uptake 3.4 - 43.2 wt% 물 uptake 7.3 - 77.4 wt% 로 증가하였으며, 이 결과는 물과 메탄올의 막 투과가 감소하는 것을 나타내는 것으로 그 만큼 수소이온이 증가함을 확인시켜주는 것이다. 이온교환 능력은 그라프트률이 증가할수록 증가함을 확인하였다. 전기 전도도는 20 - 30 kGy의 조사량으로 제조된 막을 사용하였다. 우선 고분자전해질막의 전도도를 측정하고, 양이온 교환을 위하여 하루 동안 수화시킨 후, 다시 측정하였다. 전자의 전도도는 $10^{-5} S/cm$이었고, 후자의 전도도는 $0.61 x 10^{-3} - 1.0 x 10^{-3} S/cm$으로 하루 동안 수화시킨 막의 전도도가 약 100배 증가하는 것을 확인하였다. 본 결과를 토대로 본 연구에서 제조된 고분자전해질막은 직접메탄올연료전지에 충분히 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼

Electrospun porous poly(vinylydine fluoride), PVdF, membranes are modified into polystyrene sulfonic acid, PSSA, pore filled PVdF membranes by electron beam(EB) induced grafting of poly(styrene), PS, within the pores of PVdF and subsequent sulfonation. Thus, new proton exchange membranes, PSSA fille

Electrospun porous poly(vinylydine fluoride), PVdF, membranes are modified into polystyrene sulfonic acid, PSSA, pore filled PVdF membranes by electron beam(EB) induced grafting of poly(styrene), PS, within the pores of PVdF and subsequent sulfonation. Thus, new proton exchange membranes, PSSA filled PVdF are prepared with different EB doses and other conditions. The effects of the reaction parameters on percentage of PS grafting within the pores of PVdF were investigated. The grafting of styrene and sulfonation into PVdF are proved by FT-IR spectroscopy. Morphological variations in the PVdF, before and after pore filling with PS or PSSA are monitored by field emission scanning electron microscopy(FESEM). The influence of EB irradiation dose on the rate of grafting of PS is identified. A plausible mechanism for the grafting of PS within the pores of PVdF is elucidated. The transport properties of these membranes, such as, ionic conductivity, ion exchange capacity and liquid uptake (water and methanol) are evaluated and correlated with the content of PS grafted chains in the pores of the PVdF. The performance characteristics of PSSA pore filled PVdF are suited for application as the proton exchange membrane in fuel cells.

목차 Contents

• 표지...1
• 보고서초록...4
• 요약문...5
• SUMMARY...7
• CONTENTS...8
• 목차...9
• 제1장 연구개발과제의 개요...10
• 제2장 국내외 기술개발 현황...12
• 1절 국내...12
• 2절 국외...12
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...13
• 1절 이론적, 실험적 접근방법...13
• 2절 연구내용...14
• 1. PVdF 나노섬유 제조...14
• 2. 폴리스타일렌이 그라프트된 PVdF 다공성 막 제조...14
• 3. 술폰산기가 도입된 고분자전해질막 제조...14
• 4. 특성평가...17
• 가. 그라프트률 측정...17
• 나. 고분자전해질막의 cross-over 현상 측정...17
• 다. 이온교환능력 측정...17
• 라. 술폰산기 변형률 측정...18
• 마. 전기전도도 측정...18
• 3절 연구결과...19
• 1. 형태 연구...19
• 2. 그라프트률 측정...21
• 3. 적외선 분광법 및 열분석에 의한 특정 평가...23
• 4. water 와 methanol uptake 측정...25
• 5. 이온교환능력 측정...27
• 6. 술폰산기 변형률 측정...29
• 7. 전도도 측정...31
• 8. 결론...33
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...34
• 1. 연구목표 달성도...34
• 2. 관련분야 기여도...34
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...36
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...37
• 제7장 참고문헌...38