문맥 (context)
종래, 전압을 인가함으로써 이온이 이동하는 이온 전도체가 알려져 있다. 이 이온전도체는 전지나 전기화학센서 등의 전기화학 장치로서 널리 이용되고 있다.
예를 들어, 연료전지에 있어서는 발전 효율, 시스템 효율, 구성 부재의 장기내구성의 관점에서, 100 내지 300°C의 작동온도에서 무가습 혹은 상대 습도 50% 이하의 저가습 작동조건에서 양호한 프로톤 (proton) 전도성을 장기 안정적으로 나타내는 프로톤 전도체가 요구되고 있다.
종래의 고체 고분자형 연료전지의 개발에 있어서는, 상기 요구를 감안하여 검토되어 왔는데, 퍼플루오르카본술폰산막을 전해질막으로 이용한 고체고분자형 연료전지에서는 100 내지 300°C의 작동온도에서, 상대습도 50% 이하에서는 충분한 발전성능을 얻을 수 없는 단점이 있다.
또한, 종래 프로톤 전도성 부여제를 함유시킨 전해질막을 사용한 연료전지, 실리카 분산막을 사용한 연료전지, 무기-유기 복합막을 사용한 연료전지, 인산 도프 그래프트막을 사용한 연료전지 또는 이온성 액체 복합막을 사용한 연료전지가 있다.
또한, 인산 등의 강산을 도핑시킨 폴리벤즈이미다졸(이하 PBI)로 이루어진 고체 고분자 전해질막이 개시되어 있다 (미국특허 제5,525,436호).
상술한 PBI 전해질막은 다른 고분자 전해질막에 비하여 열적 안정성이 우수하여 독보적인 우위를 선점하고 있다.
그러나, 지금까지 알려진 PBI 고분자의 제조 방법(Macromol. Rapid Commun. 2004, 25, 1410, J. Poly. Sci.Part A: Polym.Chem, 1989, 27, 2815)은 강한 산성 분위기 아래에서 높은 점성도를 가진 용액상태로 합성하는 공정이기 때문에 각 합성 공정의 배치 (batch) 마다 일정한 물성을 갖는 PBI를 얻는 것이 어렵다는 것도 잘 알려진 사실이다.
특히, PBI의 합성 조건은 강한 산성 분위기 아래에서 열을 가하여 합성하는 반응 조건하에서 수행될 뿐만 아니라, 반응물 및 생성물들이 주로 염기성 성질을 갖고 있는 아민 또는 이민 작용기를 갖고 있어 주변 환경으로부터 쉽게 양자화 (protonation)되어 양전하를 갖기 때문에, 일반적인 GPC 나 HPLC 등으로 분리해 내기가 어려운 것은 공지의 사실이다. 또한, 미국특허 제5,525,436호와 같이 PBI를 연료전지용 고분자 전해질 막으로 사용하기 위해서는 주로 진한 인산과 같은 강한 산성 용액을 함침시켜 사용하기 때문에, 미반응 모노머 (monomer) 나 올리고머 (oligomer) 수준의 불순물들을 완성된 고분자 생성물로부터 분리해 내기도 어려워 이들 분순물에 의한 영향은 무시하고 사용하고 있는 현실이다.
그러나, 지금까지 알려진 상기의 제조 방법에 의해 만들어진 PBI 고분자를 이용하여 인산 등의 강산을 도핑시킨 후 고체 고분자 전해질막으로 제작하여 연료전지에 적용해보면 연료전지의 특성이 일정하게 나오지 않거나, 그 기계적 강도가 쉽게 열화되거나, 연료전지의 초기 활성화 시간(activation time)이 길어지는 경우가 빈번하게 발생하여 이에 대한 개선의 필요성이 높다.
지시문 (instruction)
주어진 원문을 읽고 필요한 정보를 파악하여, 원문에 근거해 질문에 답하라.
질문 (question)
기존의 PBI(폴리벤즈이미다졸) 제조 방법을 통해 만들어진 고분자를 인산 등의 강산을 도핑하여 연료전지에 적용했을 때 발생하는 문제점들은 무엇인가?
추론 과정 (compact_reasoning)
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1과제 해석
task_interpretation기존 PBI 제조법으로 만든 고분자를 강산 도핑 후 연료전지에 적용했을 때 나타나는 부정적인 현상들을 파악해야 한다.
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2정보 추출
information_extraction문맥에서 기존 PBI를 연료전지에 적용했을 때 발생하는 문제점들을 기술한 부분을 탐색한다.
- 지금까지 알려진 상기의 제조 방법에 의해 만들어진 PBI 고분자를 이용하여 인산 등의 강산을 도핑시킨 후 고체 고분자 전해질막으로 제작하여 연료전지에 적용해보면
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3근거 선택
evidence_selection문제점으로 명시된 구체적인 현상들을 추출한다.
- 연료전지의 특성이 일정하게 나오지 않거나, 그 기계적 강도가 쉽게 열화되거나, 연료전지의 초기 활성화 시간(activation time)이 길어지는 경우가 빈번하게 발생
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4논리 통합
logical_integration추출된 세 가지 문제점(특성 불일치, 기계적 강도 열화, 초기 활성화 시간 연장)을 정리한다.
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5결론 도출
conclusion_formulation문맥의 내용을 바탕으로 연료전지 적용 시 발생하는 세 가지 주요 문제를 결론으로 도출한다.
- 연료전지의 특성이 일정하게 나오지 않거나, 그 기계적 강도가 쉽게 열화되거나, 연료전지의 초기 활성화 시간(activation time)이 길어지는 경우가 빈번하게 발생
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6답변 생성
answer_generation질문에 대해 나열 형식으로 최종 답변을 작성한다.
- 연료전지의 특성이 일정하게 나오지 않거나, 그 기계적 강도가 쉽게 열화되거나, 연료전지의 초기 활성화 시간(activation time)이 길어지는 경우가 빈번하게 발생
최종 답변 (final_answer)
기존 제조 방법으로 만들어진 PBI 고분자를 강산 도핑 후 연료전지에 적용할 경우, 1) 연료전지의 특성이 일정하게 나오지 않거나, 2) 기계적 강도가 쉽게 열화되거나, 3) 연료전지의 초기 활성화 시간(activation time)이 길어지는 문제가 빈번하게 발생한다.
핵심 해석 (core_interpretation)
기존의 PBI 제조 방법으로 만들어진 고분자를 인산 등으로 도핑하여 연료전지에 적용할 때, 연료전지의 특성이 일정하게 나오지 않거나 기계적 강도가 쉽게 열화되거나 초기 활성화 시간이 길어지는 문제가 발생한다.