일반기술

직접메탄올 연료전지용 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질 및 이를 이용한 전해질 복합막

*원리 및 구성본 발명은 직접메탄올 연료전지(DMFC)용 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸 전해질 및 이를 이용한 전해질 복합막에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내열성, 기계적 물성 및 용해성 등의 우수한 성질을 가지고 있는 술폰산 함유 폴리아릴에테르벤즈이미다졸을 반복단위로 하는 신규의 고분자 전해질과, 상기한 고분자 전해질을 지지체에 코팅하여 제조된 것으로 이온전도도 및 메탄올 투과도가 현저히 감소되어 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 전해질막으로 유용한 전해질 복합막에 관한 것이다.*배경연료전지는 작동되는 온도와 전해질에 따라 크게 5가지로 대별되는 바, 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 및 직접메탄올 연료전지(DMFC)가 있다. 그 중, 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)는 1951년 Kordesh와 Marko에 의해 처음 개발된 것으로(Oesterr. Chem. Ztg., 1951, 52, 125), 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에 연료개질기가 필요 없어 소형 휴대용 전자장비의 전원으로서 적합하다. 직접메탄올 연료전지(DMFC)는 그 구성에 있어서 심장부에 해당하는 전해질막과 전극촉매의 결합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)가 전체 연료전지 제조비용 중 수송용일 경우에는 약 45%, 휴대용일 경우에는 56%를 차지한다. 직접메탄올 연료전지의 개발에 있어, 중요한 핵심요소 중의 하나가 이온전도성 고분자 전해질막의 개발이다.*종래기술이온전도성 고분자 전해질막으로서는, 최초로 폴리스티렌-디비닐벤젠 술폰산과 술폰화된 페놀 포름알데히드의 탄화수소 형태의 고분자가 연구되었으나, 산화제에 의해 하이드로퍼옥사이드 라디칼을 형성하며 C-H 결합이 끊어지는 것으로 보고됨으로써 불소 치환된 스티렌계 고분자로 대체되었다. 1960년대 초 미국 듀폰사는 과불소계 수소이온교환막인 Nafion을 개발하였고, 현재까지 연료전지용 이온교환막으로 사용되어 오고 있다. 일본의 아사히 글라스사에서는 양이온교환기로 술폰산기 대신 카르복실기를 갖는 Flemion을 개발하였고 100%에 가까운 높은 이온선택도를 나타내었으나, 전도도면에서는 Nafion 보다 낮은 값을 나타내었다. 상기한 바와 같이, 과불소계 고분자 전해질막은 내화학성, 내산화성, 우수한 이온전도성을 가지고 있으며 이미 상업화된 재료로서의 장점을 가지고 있으나 높은 가격과 제조 시 발생하는 독성의 중간생성물로 인한 환경오염의 문제가 지적되고 있다. 특히, 직접메탄올 연료전지(DMFC)용으로 적용 시 높은 메탄올 투과도 및 100 ℃ 이상에서 함수율 감소로 인한 이온전도도의 급격한 감소 및 막의 연화 등의 문제로 인하여 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다.*특징 및 장점1)우수한 이온전도성르 가짐.2)동시에 메탄올 투과도를 현저히 감소시킴.3)직접메탄올 연료전지(DMFC)용 고분자 전해질막의 성능을 크게 개선할 수 있음.