In this study, an average of 7 phosphoric acid groups capable of transferring hydrogen ions are introduced into polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) through a substitution reaction, and the prepared POSSs are added to sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) for a polymer electrolyte membrane for fuel cells with high proton conductivity and mechanical properties. As the POSS content in SPAES increases to 5 wt%, the proton conductivity and mechanical properties increase simultaneously. However, when the POSS content exceeds 5 wt%, the two characteristics tend to decrease. This is due to the change in both proton transfer and mechanical load transfer abilities according to the distribution of POSS in SPAES. In conclusion, when 5 wt% of POSS was added to SPAES, it shows a large proton conductivity of 3.83 × 10^-1 S cm^-1 at 120 °C and 100% relative humidity and a high tensile strength of 60 MPa.

본 연구에서는 기계적, 화학적 특성이 뛰어난 폴리헤드랄 올리고머릭 실세스퀴옥산(POSS)에 치환 반응을 통해 평균 7개의 인산기를 도입하고, 제조된 POSS 화합물을 설폰화된 폴리(아릴렌 에테르 설폰)(SPAES)에 첨가하여 연료전지용 고분자 전해질막을 제조하였다. SPAES 내 POSS의 함량이 5 wt%까지 증가함에 따라 수소이온전도도와 기계적 물성이 동반 상승하였으나 그 이상의 POSS 함량에서는 오히려 감소하는 경향을 보였다. 이는 SPAES 내 POSS의 분산 여부에 따른 수소이온전달 및 기계적 부하전달 능력 변화에 기인한 것이다. 결론적으로 SPAES 내 5 wt%의 POSS가 첨가될 시 120 ^oC, 100% 상대습도에서 3.83×10^-1 S cm^-1의 높은 수소이온전도도 및 60 MPa의 높은 인장강도를 보였다.

Keywords: fuel cell, polymer electrolyte membrane, polyhedral oligomeric silsesquioxane, phosphonic acid, proton conductivity.