알칼리막 연료전지용 고분자 전해질막의 화학적 안정성 향상을 위한 … ·...

알칼리막 연료전지용 고분자 전해질막의 화학적 안정성 향상을 위한 연구개발 동향

KIC News, Volume 21, No. 6, 2018 25

1. 서 론1)

연료전지는 수소와 공기의 전기화학반응을 통

해 전기와 열을 생산하면서 물을 배출하는 친환경

에너지 전환장치로, 기후변화 대응 및 온실가스

감축을 위한 신재생에너지 보급 확대 정책에 따라

그 중요성이 점차 커지고 있다. 연료전지는 전해질

의 종류에 따라 고분자 전해질막 연료전지(polymer

electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 인산형

연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 고체

산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 등

다양한 종류가 사용되고 있다. 그중 고분자 전해

질막 연료전지는 양이온 교환막 연료전지(proton

exchange membrane fuel cell)와 알칼리막 연료전

지(alkaline membrane fuel cell)로 분류할 수 있다.

저자 (E-mail: [email protected])

양이온 교환막 연료전지의 경우 출력밀도가 높아

수소전기자동차 및 가정용 연료전지로 널리 사용

되고 있지만 백금과 같은 귀금속 촉매를 사용해

가격이 높다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결

하기 위해 최근 알칼리막 연료전지에 대한 연구가

활발히 진행되고 있다. 알칼리막 연료전지는 염기

성 조건에서 작동하기 때문에 전극에서의 산화-환

원 반응이 빨라 니켈 및 망간 등의 비귀금속 촉매

를 사용할 수 있어 연료전지의 가격 절감이 가능

하다. 하지만 염기성 조건에서의 음이온 교환막

(anion exchange membrane)의 화학적 분해 및 낮

은 이온전도도는 알칼리막 연료전지의 상용화를

위해 여전히 해결해야 할 문제로 남아있다.

상온 100 V/m 조건에서 수산화 음이온의 전도

도(20.64 µm/s)는 수소 양이온 전도도(36.23 µm/s)

에 비해 낮다고 알려져 있다[1]. 이러한 음이온의

낮은 이온전도도로 인해 알칼리막 연료전지의 성

알칼리막 연료전지용 고분자 전해질막의 화학적 안정성 향상을 위한

연구개발 동향

신 동 원

한국에너지기술연구원

Improvement in Chemical Stability of Polymer Electrolyte Membranes

for Alkaline Membrane Fuel Cell Applications

Dongwon ShinKorea Institute of Energy Research

Abstract: 알칼리막 연료전지는 친환경 에너지 전환장치로 환경 문제를 해결할 수 있으며, 양이온교환막 연료전지 대

비 가격이 저렴하여 최근 많은 주목을 받고 있다. 알칼리막 연료전지의 다양한 구성요소 중 음이온 교환막은 핵심

구성요소로 높은 이온전도도와 우수한 화학적 안정성이 요구된다. 이온전도도는 이온교환능 향상 및 고분자의 모폴로

지 제어를 통해 향상시키는 연구가 많이 진행되었으나, 화학적 안정성의 경우 아직까지 개선해야 할 부분이 많다.

이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 연구를 통해 음이온 교환막의 고분자 주쇄 및 양이온기의 분해 메커니즘이 규명

되었으며, 안정성을 향상시킬 수 있는 화학적 구조가 제시되고 있다. 이러한 연구를 바탕으로 고분자 전해질막의 성능

및 내구성의 최적화가 이루어지면 알칼리막 연료전지가 다양한 분양에 활용될 수 있을 것이다.

Keywords: alkaline membrane fuel cell, polymer electrolyte membrane, anion exchange membrane, chemical stability

기획특집: 에너지/환경 분리막 기술


26 공업화학 전망, 제21권 제6호, 2018

능은 양이온 교환막 연료전지에 비해 낮을 수밖에

없다. 하지만 음이온 교환막의 이온교환능을 높이

거나 블록공중합체 형태의 고분자 전해질막을 사

용하여 이온전도도를 향상시키면서 알칼리막 연

료전지의 성능이 상당부분 개선되었으며 최근에

는 양이온 교환막 연료전지와 대등한 성능이 보고

되고 있다. 성능 향상과 동시에 음이온 교환막의

화학적 분해를 해결하기 위한 연구도 활발하게 진

행되어 분해 메커니즘도 규명이 되고, 이를 바탕

으로 화학적 구조를 변화시켜 안정성 향상을 위한

연구 결과가 많이 보고되고 있지만, 현재까지 상

용화될 만큼의 장기 안정성을 갖는 음이온 교환막

에 대한 보고는 없다. 따라서, 본 원고에서는 다양

한 화학 구조를 갖는 음이온 교환막의 분해 메커

니즘을 살펴보고 화학적으로 안정한 음이온 교환

막의 구조에 대해 소개하고자 한다.

2. 고분자 주쇄의 분해 메커니즘

폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리프로필렌(poly-

propylene)과 같은 폴리폴리올레핀(polyolefin) 고

분자 주쇄는 유연하여 열적 안정성을 확보하기 어

려워 양이온기가 도입된 폴리스티렌(polystyrene)

구조와의 공중합체 형태로 합성하여 음이온 교환

막으로 연구되었다. 이들 구조는 화학적으로 안정

한 탄소-탄소 결합으로 이루어져 있어 60~80 ℃,

1~10 M NaOH 용액에서 화학적 안정성 평가를

진행하였을 경우 수백시간까지 분해가 일어나지

않는다고 보고되었다[2,3]. 화학적으로 안정한 폴

리올레핀 구조도 양이온기의 도입 위치에 따라 화

학적으로 분해가 일어날 수 있기 때문에 탄화수소

계에 비해 화학적으로 안정하다고 알려진 부분 불

소계 폴리올레핀 고분자를 음이온 교환막에 적용

하고자 하는 연구가 있었지만, 이소불화비닐(poly-

vinylidene fluoride, PVDF)은 KOH 용액을 이용

하여 화학적 안정성을 평가했을 때, 고분자 주쇄

의 분해가 일어나는 것을 확인하였다[4]. 이는

Figure 1과 같이 부분 불소계 고분자 주쇄의 탈수

소플루오르화(dehydrofluorination)에 의한 결과로

탄소-탄소 이중결합을 생성하면서 고분자 사슬이

끊어지는 것으로 알려졌다[5].

양이온 교환막에 사용되는 Nafion과 같은 과불

소화계 고분자는 음이온 교환막에 사용되었을 때

수산화 음이온과 반응할 수 있는 산성 수소(acidic

hydrogen)가 없고 소수성 주쇄로 수산화 음이온의

침투를 약화시켜 화학적으로 안정할 것으로 생각

되었다. 하지만 대부분의 과불소화계 음이온 교환

막은 양이온기가 도입되어 있는 과불소화알킬 에

테르(perfluoroalkyl ether) 곁쇄에서 분해가 활발

하게 일어나는 것으로 알려져 있다. Figure 2에서

나타낸 것과 같이 양이온기의 연결 구조에 따라

분해되는 메커니즘이 다르기 때문에 고분자 주쇄

와 곁쇄의 연결 고리를 안정하게 하여 화학적 내

구성을 향상시킬 수 있다[5-8].

방향족 고분자의 경우 단량체의 구조를 변화하

여 원하는 고분자 구조를 설계하고 합성할 수 있

기 때문에 고분자 전해질막 연구에 가장 널리 사

용되고 있다. 방향족 고분자를 합성하는 가장 일

반적인 방법은 말단에 수산화기를 갖는 단량체와

할로겐 그룹을 갖는 단량체의 축합반응이며, 고분

자를 합성하였을 때 항상 아릴-에테르 결합을 갖

게 된다. 이온 교환기가 없는 상태에서는 아릴-에

테르 결합도 가수분해에 대한 내구성을 갖는다고

알려져 있다[9,10]. 그러나 음이온 교환막 응용을

위해 사급화 암모늄과 같은 양이온기를 도입했을

때 Figure 3과 같이 양이온기 주위의 아릴-에테르

결합에서 분해가 일어난다[5]. 이는 양이온기의 전

자를 끌어당기는(electron-withdrawing) 성질에 의

출처: The chemistry of membranes used in fuel cells: degradation and stabilization (2018).

Figure 1. PVDF 고분자 주쇄의 분해 메커니즘.



해 양이온기 주위의 벤젠 고리의 전자밀도가 낮아

지기 때문이다[11-13]. 또한, 양이온기의 친수성

성질에 의해 수산화기를 끌어 당겨 양이온기 주위

에서 분해가 활발하게 발생하게 된다[14]. 아릴-에

테르 결합이 없는 폴리벤즈이미다졸(polybenzimi-

dazole)은 알칼리 금속을 이용하거나 고분자 주쇄

에 음이온은 전달할 수 있는 이미다졸륨(imidazo-

lium) 양이온을 도입하여 음이온 교환막으로 활용

되었다. 하지만 이미다졸 구조는 화학적으로 내구

성이 취약한 아릴-에테르 결합이 없음에도 불구하

고 Figure 4와 같이 수산화 음이온과 같은 친핵체

에 의해 쉽게 분해된다[5]. 특히, 폴리벤즈이미다

졸륨(polybenzimidazolium)은 이온 전달을 담당하

는 양이온기가 전해질막의 기계적 물성을 담당하

는 고분자 주쇄와 같이 있기 때문에, 이 부분이 분

해되었을 때 이온전도도와 기계적 물성이 모두 저

하되는 단점이 있다.

3. 양이온기의 분해 메커니즘

암모늄은 음이온 교환막에 가장 많이 사용되고

있는 양이온기다. 벤질 암모늄의 분해 메커니즘의

경우 Figure 5에서 보여지는 세 가지 루트를 따른

다고 잘 알려져 있다[15,16]. 가장 주된 분해는 친

핵체 치환에 의한 SN2 반응으로, 암모늄기가 알코

올로 치환되면서 아민이 떨어져 나오게 되어 이온

교환능이 감소한다. 친핵체의 공격에 의해 일리드

(ylide)가 중간체로 생성될 경우에도 분해가 일어

나 친핵체 치환반응과 비슷하게 알코올로 치환되

기도 하고, 스티븐스 재배열(Stevens rearrange-

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)


Figure 2. 곁쇄 구조에 따른 과불소화계 고분자 분해 메커

니즘.


Figure 3. 아릴-에테르 구조의 분해 메커니즘.


Figure 4. 폴리벤즈이미다졸 구조의 분해 메커니즘.


28 공업화학 전망, 제21권 제6호, 2018

ment) 또는 소믈레-하우저 재배열(Sommelet-Hauser

rearrangement)에 의해 암모늄기가 아민기로 전환

되면서 양이온기를 잃게 된다. 사급화 암모늄이

베타 수소(β-hydrogen)을 갖는 경우에는 추가적으

로 호프만 제거(Hofmann elimination) 반응에 의

해 이중결합과 물을 생성하면서 양이온기가 분해

된다.

구아니디늄(Guanidinium)은 컨주게이션(conjuga-

tion) 구조의 양이온으로 양전하가 하나의 탄소 및

세 개의 질소 원자 사이에서 존재한다. 따라서 구

아니디늄의 화학적 안정성은 그 공명(resonance)

구조에 따라 영향을 받는다. 구아니디늄이 공명구

조를 가지고 있어도 Figure 6의 메커니즘에 따라

분해된다[5]. 하지만 공명구조를 가지고 있는 페닐

구아니디늄(phenyl guanidinium)의 경우 공명구조

가 덜한 설포닐 구아니디늄(sulfonyl guanidinium)

보다 화학적 안정성이 우수하다고 보고되었다

[6,17]. 특히, 설포닐 그룹은 전자를 끌어당겨 양이

온기의 화학적 안정성을 더욱 저하시킨다. 따라서,

페닐 구아니디늄의 경우 중앙의 탄소 원자의 공격

에 의한 분해가 일어나지만, 설포닐 구아니디늄의

경우 연결고리에서 분해가 일어난다.

환형(Cyclic) 구조의 양이온은 부피가 크기 때

문에 입체 장해(steric hindrance) 효과로 친핵체의

(a)

(b)

(c)

출처: J. Mater. Chem. A, 2, 17314-17320 (2014).

Figure 5. 암모늄기의 분해 메커니즘.



공격에 의한 분해를 늦출 수 있다. 하지만 환형 구

조의 양이온이라고 모두 화학적 안정성이 향상되

는 것은 아니며, 치환체 등에 의해 안정성이 달라

진다. 이미다졸륨은 친핵체에 의해 환형 구조가 열

리면서 Figure 7과 같이 포르밀(formyl) 및 이미노

(imino) 형태로 분해된다[18]. 피리디늄(Pyridinium)

의 경우 2- 또는 4-위치의 친핵체 부가 및 치환반

응에 유리하기 때문에 이미다졸륨보다 화학적 안정

성이 떨어지며, 친핵체 결합 후 산화에 의해 아마이

드(amide)와 같은 추가적인 부산물이 생성되기도 한

다(Figure 8 참조)[5,16]. 피롤리디늄(Pyrrolidinium),

피페리디늄(piperidinium), 모르폴리늄(morpholinium)

은 비슷한 화학적 구조를 가지고 있다(Figures 9-11

참조). 하지만 육각형의 피페리디늄의 경우 오각

형의 피롤리디늄보다 고리 변형율(ring strain)이

작아 화학적 안정성이 우수하다[5]. 모르폴리늄은

피페리디늄과 비슷하게 안정한 육각형의 구조를

가지고 있지만 산소 원자가 존재하여 이 부분이

쉽게 분해되어 안정성이 떨어진다[5].

질소계 양이온 외에도 포스포늄(phosphonium)

및 설포늄(sulfonium) 양이온에 대한 안정성 연구

결과 Figure 12 및 13과 같은 메커니즘에 의해 분

해가 된다고 알려졌다[19]. 포스포늄과 설포늄의

안정성은 암모늄의 경우와 마찬가지로 양이온기

의 치환체를 벤젠과 같이 부피가 큰 구조로 변화

시켜 안정성을 향상시킬 수 있지만 암모늄에 비해


Figure 6. 구아니디늄 양이온의 분해 메커니즘.

출처: Macromolecules, 44, 8494-8503 (2011).

Figure 7. 이미다졸륨 양이온의 분해 메커니즘.


Figure 8. 피리디늄 양이온의 분해 메커니즘.


Figure 9. 피롤리디늄 양이온의 분해 메커니즘.


Figure 10. 피페리디늄 양이온의 분해 메커니즘.


Figure 11. 모르폴리늄 양이온의 분해 메커니즘.


30 공업화학 전망, 제21권 제6호, 2018

화학적 내구성이 떨어진다[20-22]. 결과적으로, 암

모늄이 다른 양이온들에 비해 상대적으로 안정성

이 우수하나 상용화에 충족하는 내구성을 확보하

기 위해서는 고분자 주쇄와의 연결고리 및 암모늄

기의 치환체 구조를 변경하여 안정성을 더욱 향상

시킬 필요가 있다.

4. 고분자의 화학적 안정성 향상을 위한 연구

폴리스티렌은 친핵체에 의한 분해에 취약한 에

테르 결합이 없어 화학적으로 안정한 고분자 주쇄

이며, 클로로메틸화(chloromethylation) 반응으로

양이온기 도입을 위한 전구체를 쉽게 합성할 수

있다. 하지만 폴리스티렌의 유리전이온도는 약

100 ℃로 연료전지 구동에는 충분하지 않기 때문

에 가교를 통하여 열적, 화학적, 기계적 안정성을

더욱 향상시키는 연구가 진행되었다[23]. 클로로

메틸 작용기를 갖는 폴리스티렌에 테트라메틸헥

산다이아민(N,N,N’,N’-tetramethylhexanediamine,

TMHDA) 및 다이메틸아미노에틸 에테르(bis(2-

dimethylaminoethyl) ether, DMAEE)와 같이 다이

아민을 도입할 경우 Figure 14와 같이 암모늄 양

이온기가 도입되는 동시에 가교 효과를 얻을 수

있다. 다이아민의 구조에 따라 고분자의 특성이

달라지는데, DMAEE가 도입된 고분자의 경우

TMHDA가 도입된 고분자에 비해 유연한 연결로

가교가 되어 있기 때문에 함수율과 전도도가 우수

한 특성을 보였다. 하지만 수산화칼륨 수용액을

이용하여 안정성을 평가하였을 때 유연한 연결고

리로 가교된 고분자의 분해가 더욱 빠르게 일어난

다고 보고되었다. 따라서 다이아민의 구조에 따라

출처: Polymers for energy storage and delivery: polyelectrolytes for batteries and fuel cells (2012).

Figure 12. 포스포늄 양이온의 분해 메커니즘.

출처: Polymers for energy storage and delivery: polyelectrolytes for batteries and fuel cells (2012).

Figure 13. 설포늄 양이온의 분해 메커니즘.

(a)

(b)

출처: J. Electrochem. Soc., 162, F1047-F1055 (2015).

Figure 14. 가교된 폴리스티렌 고분자 (a) TMHDA, (b)

DMAEE.

(a)

(b)

출처: Macromolecules, 48, 7085-7095 (2015).

Figure 15. (a) 벤질암모늄 및 (b) 헥실암모늄이 도입된

SEBS 블록 공중합체.



고분자 전해질막의 이온전도도 및 화학적 안정성

을 개선할 수 있음을 밝혔다. 폴리스티렌의 물성

향상을 위한 연구로 가교 외에도 폴리올레핀과의

블록공중합체를 이용한 연구도 보고되었다[24].

블록공중합체는 친수성-소수성 상분리로 인한 이

온전달이 빠르게 일어나기 때문에 이온전도도를

향상시킬 수 있는 고분자 구조이다. 따라서 폴리

스티렌과 폴리에틸렌 및 폴리부틸렌 블록 공중합

체(SEBS)를 음이온 교환막에 응용하였을 때 높은

이온전도도를 확보할 수 있다. 더불어 Figure 15와

같이 암모늄 양이온기를 도입함에 있어 고분자 주

쇄와 양이온기 사이에 긴 알킬 사슬을 도입하면

화학적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.

탄소-탄소 결합으로 연결된 방향족 고분자의 경

우 합성이 어렵기는 하나 에테르 결합이 없어 화

학적 내구성이 우수하고 열적-기계적 안정성이 우

수하다. 더욱이, 폴리아릴렌계 고분자는 폴리아릴

렌-에테르계 고분자 합성에 필요한 술폰 연결고리

처럼 전자를 끌어당기는 작용기가 필요하지 않아

고분자 주쇄의 안정성을 더욱 향상시킬 수 있는

구조이기 때문에 Figure 16에서 나타낸 것과 같이

다양한 폴리아릴렌계 고분자가 음이온 교환막 연

구에 다양하게 응용되고 있다[25-29]. 폴리아릴렌

고분자들은 기본적으로 화학적 안정성이 우수하

다고 보고되고 있으며, 양이온기의 구조에 따라

안정성이 더욱 향상된다. 앞서 설명한 바와 같이

양이온기와 고분자 주쇄 사이에 알킬 사슬의 스페

이서를 도입하였을 경우 고분자 주쇄 뿐만 아니라

양이온기의 안정성이 향상되면서 염기성 조건에

서의 고분자 전해질의 화학적 내구성을 향상시킬

수 있다. 또한, 폴리아릴렌 고분자의 경우에도 폴

리스티렌 고분자에서 설명했듯이 Figure 17과 같

이 양이온기를 도입하고 가교시키면 고분자의 안

정성이 향상된다[30]. 따라서, 고분자의 주쇄 및

작용기의 구조 변화를 통해 1차적으로 화학적 안

정성을 향상시킬 수 있으며, 가교와 같은 2차 변화

를 통해 고분자 전해질막의 내구성을 더욱 향상시

킬 수 있다.

폴리아릴-에테르 고분자는 2장에서 설명했듯이

화학적으로 내구성이 취약하다. 하지만, Figure 18

과 같이 고분자 곁쇄에 다중 양이온기를 도입하면

이온교환능을 향상시켜 이온전도도를 향상시킴과

동시에 단일 양이온기를 도입했을 때보다 화학적

내구성이 향상된다는 연구결과도 있다[31-33]. 이

출처: ACS Macro Lett., 4, 453-457 (2015), Int. J. Hydrogen Energy, 40, 1324-1332 (2015), J. Appl. Polym. Sci. B Polym. Phys., 51, 1736-1742 (2013), Macromolecules, 42, 8316-8321 (2009), ACS Macro Lett., 4, 814-818 (2015).

Figure 16. 폴리아릴렌계 고분자.

출처: Polym. Chem., 6, 7964-7973 (2015).

Figure 17. 폴리아릴렌계 가교 고분자.


32 공업화학 전망, 제21권 제6호, 2018

는, 고분자 주쇄 기준으로 작용기가 도입된 반복

단위의 비율이 적고 상대적으로 안정한 작용기가

도입되지 않은 반복단위의 비율이 높기 때문으로

해석되고 있다.

5. 결 론

고분자의 염기성 분위기에서의 화학적 안정성

은 알칼리막 연료전지용 고분자 전해질막에 요구

되는 핵심 특성이다. 유기 화합물의 염기성 분위

기에서의 근본적인 화학적 취약성은 여전히 한계

로 존재하지만, 많은 연구 결과를 통해 고분자 주

쇄 및 양이온기의 분해 메커니즘이 규명되었으며,

이를 바탕으로 알칼리 연료전지 구동 중 발생하는

친핵체의 공격으로부터 안정성을 향상시킬 수 있

는 고분자 구조가 제시되었다. 이렇게 개발된 음

이온 교환막의 경우 기존 고분자들 대비 화학적

내구성이 많은 부분 향상이 되었다. 하지만, 상용

화를 위해서는 조금 더 개선이 필요한 상황이며

앞으로도 알칼리막 연료전지용 고분자 전해질막

의 화학적 안정성 향상을 위한 많은 연구가 활발

히 진행될 것으로 예상된다. 내구성을 충족시키는

전해질막 개발과 더불어, 비귀금속 촉매를 사용한

전극과의 성능 최적화를 통하여 성능을 향상시킬

경우, 알칼리막 연료전지는 가격적 장점을 바탕으

로 다양한 응용분야에 널리 활용될 수 있을 것이다.

References

1. P. Atkins and J. d. Paula, Physical Chemistry,

7th ed., OUP Oxford, UK (2002).

2. M. Zhang, J. Liu, Y. Wang, L. An, M. D.

Guiver, and N. Li, Highly stable anion

exchange membranes based on quaternized

polypropylene, J. Mater. Chem. A, 3,

12284-12296 (2015).

3. T. A. Sherazi, J. Y. Sohn, Y. M. Lee, and M.

D. Guiver, Polyethylene-based radiation grafted

anion-exchange membranes for alkaline fuel

cells, J. Membr. Sci., 441, 148-157 (2013).

4. B. Ameduri, From vinylidene fluoride (VDF)

to the applications of VDF-containing polymers

and copolymers: recent developments and

future trends, Chem. Rev., 109, 6632-6686

(2009).

5. S. Schlick, The chemistry of membranes used

in fuel cells: degradation and stabilization,

John Wiley & Sons, Inc., NJ, USA (2018).

6. D. S. Kim, C. H. Fujimoto, M. R. Hibbs, A.

Labouriau, Y.-K. Choe, and Y. S. Kim,

Resonance stabilized perfluorinated ionomers

for alkaline membrane fuel cells, Macromolecules,

46, 7826-7833 (2013).

7. K. Matsui, E. Tobita, K. Sugimoto, K.

Kondo, T. Seita, and A. Akimoto, Novel

anion exchange membranes having fluorocarbon

backbone: Preparation and stability, J. Appl.

Polym. Sci., 32, 4137-4143 (1986).

8. C. G. Arges, M.-S. Jung, G. Johnson, J.

Parrondo, and V. Ramani, Anion exchange

membranes (AEMs) with perfluorinated and

polysulfone backbones with different cation

chemistries, ECS Trans., 41, 1795-1816 (2011).

9. B. Bauer, H. Strathmann, and F. Effenberger,

Anion-exchange membranes with improved

alkaline stability, Desalination, 79, 125-144

출처: Energy Environ. Sci., 6, 2912-2915 (2013), ChemSusChem, 8, 4229-4234 (2015), Macromolecules, 49, 815-824 (2016).

Figure 18. 다중 양이온기가 도입된 고분자(a) 벤질암모늄

및 (b) 헥실암모늄이 도입된 SEBS 블록 공중합체.



(1990).

10. P. Zschocke and D. Quellmalz, Novel ion

exchange membranes based on an aromatic

polyethersulfone, J. Membr. Sci., 22, 325-332

(1985).

11. C. Fujimoto, D.-S. Kim, M. Hibbs, D.

Wrobleski, and Y. S. Kim, Backbone stability

of quaternized polyaromatics for alkaline

membrane fuel cells, J. Membr. Sci., 423-424,

438-449 (2012).

12. S. Miyanishi and T. Yamaguchi, Ether

cleavage-triggered degradation of benzyl

alkylammonium cations for polyethersulfone

anion exchange membranes, Phys. Chem.

Chem. Phys., 18, 12009-12023 (2016).

13. E. Modica, R. Zanaletti, M. Freccero, and M.

Mella, Alkylation of amino acids and

glutathione in water by o-quinone methide.

Reactivity and selectivity, J. Org. Chem., 66,

41-52 (2001).

14. A. D. Mohanty, S. E. Tignor, J. A. Krause,

Y.-K. Choe, and C. Bae, Systematic alkaline

stability study of polymer backbones for

anion exchange membrane applications,

Macromolecules, 49, 3361-3372 (2016).

15. A. D. Mohanty and C. Bae, Mechanistic

analysis of ammonium cation stability for

alkaline exchange membrane fuel cells, J.

Mater. Chem. A, 2, 17314-17320 (2014).

16. J. R. Varcoe, P. Atanassov, D. R. Dekel, A.

M. Herring, M. A. Hickner, P. A. Kohl, A. R.

Kucernak, W. E. Mustain, K. Nijmeijer, K.

Scott, T. Xu, and L. Zhuang, Anion-exchange

membranes in electrochemical energy systems,

Energy Environ. Sci., 7, 3135-3191 (2014).

17. D. S. Kim, A. Labouriau, M. D. Guiver, and

Y. S. Kim, Guanidinium-functionalized anion

exchange polymer electrolytes via activated

fluorophenyl-amine reaction, Chem. Mater.,

23, 3795-3797 (2011).

18. Y. Ye and Y. A. Elabd, Relative chemical

stability of imidazolium-based alkaline anion ex-

change polymerized ionic liquids, Macromolecules,

44, 8494-8503 (2011).

19. K. A. Page, C. L. Soles, and J. Runt,

Polymers for energy storage and delivery:

polyelectrolytes for batteries and fuel cells,

American Chemical Society, Washington,

D.C., USA (2012).

20. K. M. Meek and Y. A. Elabd, Alkaline

chemical stability of polymerized ionic liquids

with various cations, Macromolecules, 48,

7071-7084 (2015).

21. B. Zhang, S. Gu, J. Wang, Y. Liu, A. M.

Herring, and Y. Yan, Tertiary sulfonium as a

cationic functional group for hydroxide

exchange membranes, RSC Adv., 2, 12683-12685

(2012).

22. M. A. Hossain, H. Jang, S. C. Sutradhar, J.

Ha, J. Yoo, C. Lee, S. Lee, and W. Kim,

Novel hydroxide conducting sulfonium-based

anion exchange membrane for alkaline fuel

cell applications, Int. J. Hydrogen Energy, 41,

10458-10465 (2016).

23. A. Amel, S. B. Smedley, D. R. Dekel, M. A.

Hickner, and Y. Ein-Eli, Characterization and

chemical stability of anion exchange

membranes cross-linked with polar electron-

donating linkers, J. Electrochem. Soc., 162,

F1047-F1055 (2015).

24. A. D. Mohanty, C. Y. Ryu, Y. S. Kim, and

C. Bae, Stable elastomeric anion exchange

membranes based on quaternary ammonium-

tethered polystyrene-b-poly(ethylene-co-butylene)-

b-polystyrene triblock copolymers, Macromolecules,

48, 7085-7095 (2015).

25. W.-H. Lee, A. D. Mohanty, and C. Bae,

Fluorene-based hydroxide ion conducting


34 공업화학 전망, 제21권 제6호, 2018

polymers for chemically stable anion exchange

membrane fuel cells, ACS Macro Lett., 4,

453-457 (2015).

26. M. A. Hossain, H. Jang, S. Lee, T. Hong, L.

Jin, F. Tan, D. Kim, and W. Kim,

Comparison of properties of anion conductive

Parmax membranes containing imidazolium

cation and quaternary ammonium, Int. J.

Hydrogen Energy, 40, 1324-1332 (2015).

27. M. R. Hibbs, Alkaline stability of

poly(phenylene)-based anion exchange mem-

branes with various cations, J. Appl. Polym.

Sci. B Polym. Phys., 51, 1736-1742 (2013).

28. M. R. Hibbs, C. H. Fujimoto, and C. J.

Cornelius, Synthesis and characterization of

poly(phenylene)-based anion exchange membranes

for alkaline fuel cells, Macromolecules, 42,

8316-8321 (2009).

29. W.-H. Lee, Y. S. Kim, and C. Bae, Robust

hydroxide ion conducting poly(biphenyl alkylene)s

for alkaline fuel cell membranes, ACS Macro

Lett., 4, 814-818 (2015).

30. G. S. Sailaja, S. Miyanishi, and T. Yamaguchi,

A durable anion conducting membrane with

packed anion-exchange sites and an aromatic

backbone for solid-state alkaline fuel cells,

Polym. Chem., 6, 7964-7973 (2015).

31. J. Pan, Y. Li, J. Han, G. Li, L. Tan, C. Chen,

J. Lu, and L. Zhuang, A strategy for

disentangling the conductivity-stability dilemma

in alkaline polymer electrolytes, Energy

Environ. Sci., 6, 2912-2915 (2013).

32. J. Wang, S. Gu, R. Xiong, B. Zhang, B. Xu,

and Y. Yan, Structure-property relationships

in hydroxide-exchange membranes with cation

strings and high ion-exchange capacity,

ChemSusChem, 8, 4229-4234 (2015).

33. L. Zhu, J. Pan, Y. Wang, J. Han, L. Zhuang,

and M. A. Hickner, Multication side chain

anion exchange membranes, Macromolecules,

49, 815-824 (2016).

신 동 원2008 한양대학교 화학공학과 학사

2014 한양대학교 에너지공학과 박사

2014~2016 Rensselaer Polytechnic Institute Post-doc.

2016~현재 한국에너지기술연구원

선임연구원

알칼리막 연료전지용 고분자 전해질막의 화학적 안정성 향상을 위한 … ·...

Documents