Characterization of Sulfonated Ploy(aryl ether sulfone) Membranes Impregnated with Sulfated

Composite membranes based on sulfonated poly(aryl ether) sulfone (SPAES) with different sulfated zirconia nanoparticles ($s-ZrO_2$) ratio are synthesized and investigated for the improvement of the hydration and the proton conductivity at high temperature and no humidification for fuel cell applications. X-ray diffraction technique is employed to characterize the structure and the size of $s-ZrO_2$ nanoparticles. The sulfation effect of $s-ZrO_2$ nanoparticles is verified by FT-IR analysis. The properties of the SPAES composite membranes with the various $s-ZrO_2$ ratio are evaluated by ion exchange capacity and water content. The proton conductivities of the composite membranes are estimated at room temperature with full hydration and at the various high temperature without external humidification. The composite membrane with 5 wt% $s-ZrO_2$ shows the highest proton conductivity. The proton conductivities are $0.9292\;S\;cm^{-1}$ at room temperature with full hydration and $0.0018\;S\;cm^{-1}$ at $120^{\circ}C$ without external humidification, respectively.

Sulfated 를 함침한 SPAES 연료전지막의 특성 평가

고온 무가습 조건에서 고분자 전해질 막의 수화성 및 수소이온 전도도 향상을 위해 sulfonated poly(aryl ether sulfone) 전해질 고분자에 sulfated $ZrO_2$ ($s-ZrO_2$)를 함침시킨 유-무기 복합막을 제조하였다. X-ray diffraction를 통해 $s-ZrO_2$ 의 구조적 특징과 입자크기를 확인하였으며 추가적으로 FT-IR 분석을 통해, $s-ZrO_2$입자에 술폰산기가 화학적으로 결합되어 있음을 확인 할 수 있었다. 다양한 $s-ZrO_2$ 조성비를 가진 유-무기 복합막의 이점을 확인하기 위해서 이온교환능력, 함수율, 수소이온 전도도를 측정하였다. 실험결과, $s-ZrO_2$의 조성비를 달리한 유-무기 복합막의 수소이온 전도도는, 5 wt% $s-ZrO_2$를 함유한 유-무기 복합막의 경우에서, 상온 수화조건 뿐만 아니라 $100^{\circ}C$ 이상의 무가습 조건에서 매우 높은 수소 이온 전도도를 나타내었다. 특히 $120^{\circ}C$ 무가습 조건에서도 5 wt% $s-ZrO_2$를 함유한 유-무기 복합막이 $0.0018\;S\;cm^{-1}$의 매우 높은 전도도를 나타냄으로써 $100^{\circ}C$ 이상의 고온에서도 높은 수화도를 유지하는 유-무기 복합막의 제조가 가능하였다.