고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 핵심 구성요소 중 하나인 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 수소이온을 애노드(anode)에서 캐소드(cathode)로 이동시키는 전해질의 역 할 및 연료의 투과를 막는 분리막으로서의 역할을 수행하며 PEMFC의 성능 및 효율을 결정짓는 핵심 소재이다. 현재 나피온 (Nafion®)으로 대표되는 과불소화계 전해질 막이 높은 수소이온 전도도 및 화학적 안정성으로 인해 상용화 되었지만, 높은 생 산비용과 구동 시 환경오염 물질이 배출된다는 문제점을 갖고 있다. 이를 대체할 PEM 소재로써 고분자의 구조 조절 및 개질 과정이 용이한 다양한 종류의 탄화수소계 고분자가 제시되고 있지만, 실제 PEMFC에 적용되기 위해서는 성능 및 내구 특성 을 개선해야 하는 과제가 남아있다. 이에 본 총설은 탄화수소계 PEM의 성능 및 내구 특성을 향상시키기 위해 1) 가교 구조 를 도입한 가교 막 개발, 2) 무기 첨가제 도입을 통한 유⋅무기 복합 막 개발 및 3) 다공성 지지체를 활용한 강화 복합 막을 개발하는 연구에 대해 살펴보고자 한다.

다양한 장치에 대한 광범위한 의존으로 에너지는 현대 생활에서 중요한 역할을 하고 있다. 전통적인 에너지원은 많은 환경 및 건강 문제를 안고 있어, 환경과 건강에 미치는 영향을 최소화하면서 에너지 수요를 충족할 수 있는 대체 가능 한 에너지원이 시급히 필요하다. 이러한 관점에서 연료전지, 특히 음이온 교환막 연료전지는 고가의 촉매를 사용하지 않는 빠 른 반응속도, 컴팩트한 디자인, 수소 이외의 연료 선택 가능성 및 보다 저렴한 연료의 사용이 가능한 특성으로 인하여 다른 연료전지에 비해 큰 주목을 받고 있다. 그럼에도 이온전도성이 높고 화학적, 기계적으로 안정적인 음이온 교환막의 개발이 부 진한 것이 주요 장애물이 되어 왔고, 그래핀 기반 고분자 복합막이 AEMFC용 전해질막으로 등장하게 되었다. 2D 구조, 높은 기계적 강도, 높은 내화학성 및 표면적과 같은 그래핀의 견고한 구조 및 물리적 특성은 음이온교환막의 성능 개선에 도움이 된다고 보고되고, 그래핀 및 그 유도체를 사용하는 전해질막의 연구가 중요하게 되었으나, 그래핀 재료의 높은 잠재력에도 지 나친 응집 경향으로 나타나는 문제점이 지적되고 있어 그래핀 유도체의 표면 개질은 응집을 완화하고 그래핀이 가지는 잠재 적 성능을 이끌어내는데 꼭 필요하다. 따라서 본 고에서는 그래핀과 유도체의 표면 개질과 연료 전지용 AEM 제조에서 그 역 할에 초점을 맞추어서 논의하고자 한다.

이산화탄소 배출이 없는 고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 수송용, 발전용 시스템에 적용 가능한 친환경 에너지 변환장치이다. PEMFC의 주요 구성품 중 하나인 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 구동시간 동안의 높은 수소 이온 전도도와 물리화학적 안정성 갖춘 과불소화계 고분자 (perfluorinated sulfonic acid, PFSA) 기반 PEM (PFSA-PEM)이 상용화 되어있다. 하지만 PFSA-PEM의 단점으로 지적되는 낮은 유리전이온도와 높은 기체 투과도의 보완이 요구되고 있다. 이에 본 총설에서는 PFSA-PEM의 성능 향상 및 단점 보완 을 위해 1) PFSA의 측쇄부 길이를 조절함으로써 이온교환용량의 증가와 고분자의 결정성을 증가시켜 PFSA-PEM의 능력을 향상시킨 연구와 2) 유/무기 첨가제를 도입하여 수소 이온 전도도 및 물리적 안정성을 향상시키는 복합 막 연구 및 3) 다공성 지지체를 도입하여 PEM의 두께를 효과적으로 감소시켜 막 저항을 효과적으로 줄이고 내구성을 큰 폭으로 개선한 다공-충진 막에 관한 연구를 소개하고자 한다.

For deep geological repository of the spent nuclear fuel, the fuel assemblies loaded in the storage cask are transferred to the disposal cask and the operation is performed in the fuel handling hot cell at the fuel re-packaging facility. As the fuel handling hot cell shielding is accomplished by the concrete wall and the viewing glass window, the required shielding thickness was evaluated for both materials. The ordinary concrete is applied to hot cell wall and two kinds of glasses, i.e., single layer of lead glass and double layer of lead glass and borosilicate glass, are considered for the viewing glass window. A bare spent PWR fuel assembly exposed to the environment in the hot cell was considered as the neutron and gamma radiation sources. The neutron and gamma transport calculations were performed using the MAVRIC program of the SCALE code system for the dose rate evaluation. The dose limit of 10 μSv/h is applied as the target dose to establish the required shielding thickness. The concrete wall of 94 cm thickness reduces the total dose rate to 6.9 μSv/h, which is the sum of neutron dose and gamma dose. Penetrating the concrete wall, both of the neutron dose and the gamma dose decrease constantly with shield thickness and the gamma dose is always dominant through whole penetrating distance. Single layer lead glass of 74 cm thickness reduces total dose rate to 6.2 μSv/h. Applying double layer shield glass combined of lead glass and borosilicate glass, the total dose rate reduces to 3.6 μSv/h at same shield thickness of 74 cm. Through the shield glass, gamma dose decreases rapidly and neutron dose decreases slowly compared with those for concrete wall. In result, neuron dose becomes dominant on the window glass shielding. The more efficient dose reduction of double layer glass is achieved by the borosilicate glass’s superior neutron shielding power. Thus, the use of double layer glass of lead glass and borosilicate glass is recommended for the viewing glass of the fuel handling hot cell. Finally, it is concluded that about 1 m thick concrete wall and 75 cm thick viewing glass window are sufficient for the radiation shielding of the hot cell at the spent fuel repackaging facility.

Platinum (Pt) catalysts dispersed on carbon-based support materials are generally used in the polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. In this study, commercial graphene nanoplatelets (GNPs), with different surface areas (320, 530, 800 m2 g− 1), were used as catalyst supports in PEM fuel cells. These GNPs were also pyrolyzed under the inert atmosphere, with and without melamine, as the nitrogen (N) source. Various characterizations (Elemental analysis, FTIR, Raman spectroscopy, BET, TEM, HRTEM, SAED, XRD, TGA, ICP-MS, contact angle measurement, CV, ORR, chronoamperometry, EIS, PEM fuel cell performance test) were performed for the detailed analysis of Pt/GNPs. Based on the three-electrode cell system, the lowest electrochemical surface area (ECSA) loss (29.9%), Pt mass activity loss (20.3%) and overall (charge and mass) resistance (42.2 Ω) were obtained with the Pt/M-530 catalyst. According to the in-situ PEM fuel cell performance results, the specific peak power density was recorded as (450 mW mg Pt− 1) for the Pt/R-530 catalyst, which has also the second most hydrophobic catalyst layer surface with the 146.5° ± 1.28° contact angle value. On the heels of Pt/R-530, the two best performances also belong to the Pt/M-530 (391 mW mg Pt− 1) and Pt/P-530 (378 mW mg Pt− 1) catalysts of the same group.

Chitosan powder is synthesized by a deasetylation process of chitin, obtained from processing of dried shrimp shell powder. Subsequently, chitosan (CS) membranes filled by montmorillonite (MMT) particles and phosphotungstic acid are prepared, and characterized by FT-IR and SEM. The morphology, obtained by SEM for the composite membrane, showed that MMT filler is successfully incorporated and relatively well dispersed in the chitosan polymer matrix. Water and methanol uptake for the CS/MMT composite membranes decrease with increasing MMT loadings, but IEC value increases. In all prepared CS/ MMT composite membranes, the CS membrane filled by 5 wt% MMT particles exhibits the best proton conductivity, while that with 10 wt% MMT loading exhibits the lowest methanol permeability; these values are 2.67 mS·cm−1 and 3.40 × 10−7 cm2·s−1, respectively. The best membrane selectivity is shown in the CS/MMT10 composite membrane; this shows that 10 wt% filled MMT is the optimum loading to improve the performance of the chitosan composite membrane. These characteristics make the developed chitosan composite membranes a promising electrolyte for direct methanol fuel cell (DMFC) application.

미생물 연료전지(MFC)는 미생물의 촉매 반응을 이용하여 폐수 등 환경 오염물질을 처리함과 동시에 전기에너지를 생성하는 생물전기화학 장치다. 미생물 연료전지의 주요 성분 중 하나인 양이온 교환막(PEM)은 미생물 연료 전지의 성능에 결정적인 영향을 미치며, 현재 가장 많이 사용되고 있는 양성자교환막은 Nafion이다. Nafion은 우수한 성능을 가지고 있지만, 단가가 높고, 생물오염에 취약하며, 생분해가 불가능하다는 단점이 있다. 따라서 Nafion을 대체하기 위한 새로운 복합막 을 개발하고자 하는 시도가 꾸준히 이루어졌다. 본 총설에서는 미생물 연료전지 분야에서 최근 개발된 복합막의 특징과 성능을 고찰하며, 특히 양성자교환막을 중점적으로 다룬다.