Abstract
Cation exchange polymer electrolyte membrane for the application of direct methanol fuel cell (DMFC) was studied. Poly(vinyl alcohol)(PVA) well known as a methanol barrier in pervaporation separation was used fur the base materials and poly(acrylic acid)(PAA) was used for the crosslinking agent with various concentration. Methanol permeability, ion conductivity, ion exchange capacity, water contents and fixed ion concentration of the membranes were investigated to evaluate the performance of the fuel cell electrolyte membrane. Methanol permeability and ion conductivity of the membranes were decreased with increasing PAA content and were increased over 15% of PAA content. These phenomena would be explained with the introduction of hydrophilic crosslinking agent. The membranes with 15% content of PAA showed methanol permeability of $6.49{\times}10^{-8}/cm^2/s,\; 2.85{\times}10^{-7}CM^2/s$ at $25^{\circ}C,\; 50^{\circ}C$ of operating temperatures, respectively. ion conductivities of the membrane were $2.66{\times}10^{-3}\;S/cm,$ $9.16{\times}10^{-3}\;S/cm$ at $25^{\circ}C,\; 50^{\circ}C$ of operating temperatures, respectively. ion exchange capacity, water content and fixed ion concentration of the membrane were revealed 1.32 meq/g membrane,0.25 g $H_2$O/g membrane and 5.25 meq/g $H_2O$, respectively.
본 연구는 직접메탄을 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)용 전해질 막으로 이용되는 양이온교환막의 개발에 관한 것이다. 투과증발공정에서 메탄을 Barrier로 잘 알려져 있는 Poly(vinyl alcohol)을 Base polymer로 사용하고 양이온 교환기가 포함되어 있는 Poly(acrylic acid)를 가교제로 사용하여 가교제의 함량변화에 따른 메탄을 투과도(Methanol permeability), 이온전도도(Ion conductivity), 이온교환용량(Ion exchange capacity), 함수율(Water content), 고정이온농도(Fixed ion concentration)를 통해 막 특성을 측정하였다. 메탄올 투과도와 이온전도도는 가교제인 PAA함량이 증가함에 따라 감소하다가 15%이상에서는 증가하는 경향을 보였다. 이것은 가교제의 함량증가로 인한 가교의 영향과 가교제에 포함되어 있는 친수성기의 도입으로 이와 같은 결과가 나타난다고 예상된다. 실험결과를 통해 DMFC에 적용가능성이 있는 막은 $25^{\circ}C,\; 50^{\circ}C$에서의 메탄을 투과도가 $6.49{\times}10^{-8}/cm^2/s,\; 2.85{\times}10^{-7}/cm^2/s$, $25^{\circ}C,\; 50^{\circ}C$에서의 이온전도도가 $2.66{\times}10^{-3}\;S/cm,\; 9.16{\times}10^{-3}\;S/cm,$ 이온교환용량이 1.32 meq/g membrane, 함수율이 0.25 g $H_2O$/g membrane, 고정이온농도가 5.25 meq/g $H_2O$인 PVA/PAA-$160^{\circ}C$ 15% 막으로 예측된다.
