본 연구에서는 유기계 산화 방지제인 가려진 페놀이 그래프팅된 산화 그래핀(hindered phenol-grafted graphene oxide, HP-GO)을 합성하였고, 이를 도입한 나피온(Nafion) 기반의 복합 막을 제조하여 고분자 전해질 막 연료전지에 응용하 였다. HP-GO는 3,5-디-tert-뷰틸-4-히드록시페닐프로피오닐 클로라이드에 존재하는 염화 카보닐기(carbonyl chloride)와 GO에 존재하는 히드록시간의 치환 반응을 통해 합성되었으며, 합성된 HP-GO를 고분자 기지체 대비 0.01~0.5 wt%까지 포함하는 복합 막을 제조하여 순수 Nafion과의 물성 차이를 비교하였다. 특정 함량의 HP-GO가 첨가된 복합 막은 순수 Nafion에 비해 우수한 인장강도와 수분 흡수율 및 치수안정성을 나타내었다. 특히 HP-GO의 산화 방지 특성으로 인해 HP-GO가 첨가된 복 합 막은 장시간의 펜톤 평가(Fenton’s test) 이후 순수 Nafion 대비 높은 산화 안정성을 나타내었다. 또한 HP-GO에 의한 향상 된 수분 흡수율에 의해 복합 막은 전 습도 구간에서 순수 Nafion 대비 우수한 수소 이온 전도도를 나타내었다.

본 연구에서는 산화 방지 특성이 있는 가려진 페놀기를 도입한 산화 그래핀(hindered phenol-grafted graphene oxide, HP-GO)을 합성한 후 탄화수소계 고분자인 sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)을 기지체로 사용한 복합 막을 제조하여 고분자 연료전지 시스템에 응용하고자 하였다. HP-GO는 GO 표면의 하이드록시기(hydroxy group)와 HP의 염화 카 보닐(carbonyl chloride) 간의 친핵성 아실치환 반응을 통해 합성되었으며, HP-GO의 비율을 다르게 첨가한 복합 막을 제조한 후 선형 SPAES 막과의 비교를 통해 성능 특성 변화를 확인하였다. 특정 함량의 HP-GO를 첨가한 복합 막의 경우 선형 SPAES 막에 비해 체적 안정성과 기계적 강도 및 수소 이온 전도도가 증가된 것을 확인할 수 있었으며, 펜톤 평가(Fenton’s test) 진행 후 막 분해 시간 및 잔여 막 무게 비율이 증가되는 경향을 통해 화학적 내구성 역시 증가한 것을 확인할 수 있었다.

고온 구동형 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 구동 중 발생되는 불순물에 대한 내성이 높고 물관리가 용이하며 고순도의 가스를 연료로 사용하지 않아도 되는 장점을 갖는 다. HT-PEMFC는 인산이 도핑된 막을 통해 수소이온이 전도되기 때문에 전해질 막의 높은 인산의 유지율이 요구된다. 본 총 설에서는 인산의 침출을 방지하여 고성능의 HT-PEMFC용 고분자 전해질 막을 개발하기 위해 1) 인산이 도핑된 전해질 막의 인산 침출에 영향을 미치는 요소를 파악한 후, 이를 개선하기 위해 2) 폴리벤즈이미다졸 기반 막과 인산과의 상호작용을 강 화하여 인산 침출을 방지할 수 있도록 고분자 구조 설계를 진행한 연구와 3) 이오노머의 이온교환 작용기와 인산과의 이온 쌍 상호작용을 통해 인산의 침출을 방지할 수 있도록 이오노머 구조 설계를 진행한 연구들에 대해 살펴보고자 한다.

본 연구에서는 산화 방지 특성이 있는 가리워진 아민기를 함유한 산화 그래핀(hindered amine grafted graphene oxide, HA-GO)을 합성하여 이를 도입한 나피온(Nafion) 기반의 복합 막을 제조한 후 고분자 전해질 막 연료전지 시스템에 응용하였다. HA-GO는 4-아미노-2, 2, 6, 6-테트라메틸-4-피페리딘(4-amino-2, 2, 6, 6-tetramethyl piperidine)에 존재하는 아민 기와 GO 표면에 존재하는 에폭시기의 개환 반응을 통해 제조하였으며, 합성된 HA-GO의 함량을 달리한 복합 막을 제조하여 순수 Nafion 막과 성능 특성을 비교하였다. HA-GO가 첨가된 복합 막은 Nafion 단일 막에 비해 기계적 물성, 화학적 안정성 및 수소이온 전도 특성이 향상되었다. 특히 HA-GO의 산화 방지 특성으로 인해 HA-GO가 첨가된 복합 막은 펜톤 평가 (Fenton’s test) 이후 수소이온 전도도의 유지 특성이 Nafion 단일 막에 비해 큰 폭으로 향상된 것을 확인할 수 있었다.

직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 연료의 개질 없이 메탄올 연료를 공급하여 수소이온과 전자 생성을 통해 전류를 생산하는 에너지 변환 장치이다. 현재 DMFC에 적용되고 있는 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 높은 수소이온 전도도와 물리화학적 안정성을 갖는 과불소화계 이오노머를 활용한 PEM이지만, 높 은 메탄올 투과율과 분해 시 발생되는 환경 오염 물질 등의 문제로 인해 신규 소재 개발이 요구되고 있다. 최근 들어, 과불소 화계 이오노머에 비해 낮은 연료 투과율 및 우수한 물리화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 PEM을 DMFC에 적 용하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설에서는 탄화수소계 고분자 기반 PEM 중 1) 친수성/소수성 영역의 뚜렷한 나노 상분 리 구조를 나타내는 가지형 공중합체를 합성하여 수소이온 전도성과 메탄올의 선택도를 향상시킨 연구, 2) 제막 단계에서 가 교 구조를 도입하여 메탄올 투과율을 감소시키고 치수 안정성을 향상시킨 연구, 3) 유/무기계 첨가제 및 다공성 지지체를 도 입하여 성능을 개선한 복합 막 개발 연구에 대해 소개하고자 한다.

고온 구동형 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 전극의 빠른 활성과 피독 현상에 대한 높은 저항성으로 인해 저온 구동형 PEMFC의 대안으로 많은 연구가 진행되고 있다. 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 기반으로 한 PEM의 경우 고온 구동 조건에서 이온 전도성 물질과의 높은 상호 작용과 우수한 열적ㆍ기계적 안정성 특징으로 인해 HT-PEMFC용 PBI 기반 전해질 막 개발과 관련된 다양한 연구들이 진행 되고 있다. 본 총설에서는 고성능/고내구성의 PBI 기반 PEM을 개발하기 위해 1) 인산 및 다양한 이온전도성 물질이 도핑된 PBI 막의 특성 분석과 막 제조법에 따른 PBI 막의 물성 비교에 관한 연구를 우선적으로 살펴본 후 2) 다공성 폴리테트라플루 오르에틸렌 지지체 및 무기 입자 혼입을 통한 PBI 복합 막의 성능 개선 연구 및 3) 고분자 블렌딩을 통해 가교 구조가 도입 된 PBI 기반 가교 막의 내구성 향상에 관한 연구 동향에 대하여 소개하고자 한다.

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.

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.

고분자 전해질 막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 환경오염물질 배출이 없는 친환경 에너지 변환 장치로 주목을 받고 있다. PEMFC의 구성요소 중 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane, PEM)은 음 극에서 발생되는 수소이온을 양극으로 전달하는 역할과 동시에 분리막으로써 연료의 투과를 차단하는 역할을 수행하는 핵심 소재이다. 대표적으로 NafionⓇ과 같은 과불소화계 고분자 전해질 막이 상용화 되어있지만 높은 단가 및 분해 시 환경오염물 질이 배출되는 단점이 존재하여, 이를 대체할 탄화수소계 고분자를 활용한 전해질 막 개발에 관한 연구들이 수행되고 있다. 높은 수소이온 전도도를 가지며 동시에 우수한 물리⋅화학적 안정성을 갖는 탄화수소계 고분자 기반 전해질 막을 개발하기 위해 가교 구조가 도입된 전해질 막을 개발하는 연구들이 보고되고 있다. 본 총설은 가교 전해질 막을 제조하기 위해 이온교 환 작용기가 도입된 탄화수소계 고분자를 활용하여 다양한 종류의 가교 전해질 막을 제조하는 방법에 대해 논하였다.

It is necessary to fabricate uniformly dispersed nanoscale catalyst materials with high activity and long-term stability for polymer electrolyte membrane fuel cells with excellent electrochemical characteristics of the oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction. Platinum is known as the best noble metal catalyst for polymer electrolyte membrane fuel cells because of its excellent catalytic activity. However, given that Pt is expensive, considerable efforts have been made to reduce the amount of Pt loading for both anode and cathode catalysts. Meanwhile, the atomic layer deposition (ALD) method shows excellent uniformity and precise particle size controllability over the three-dimensional structure. The research progress on noble metal ALD, such as Pt, Ru, Pd, and various metal alloys, is presented in this review. ALD technology enables the development of polymer electrolyte membrane fuel cells with excellent reactivity and durability.

서로 다른 술폰화 정도에 따라 sulfonated star branched poly(styrene-b-butadiene-b-styrene) triblock copolymer (SSBS)가 합성되었다. 술폰화된 butadiene block은 FT-IR spectroscopy로 확인할 수 있다. 술폰화 정도를 측정 비교하기 위해 서 산-염기 적정을 통하여, ion exchange capacity (IEC)를 계산하였다. 술폰화된 SSEB 전해질막은 높은 water uptake와 proton conductivity를 보였다. 실온에서 25 mol% 술폰화된 SSBS는 0.114 S/cm라는 높은 값을 나타냈으며, 이는 Nafion과 비슷 한 수치였다. 일정한 상대 습도에서 온도의 증가는 현저하게 높은 수소이온전도도를 나타냄을 알 수 있었다. 모든 술폰화된 막 은 Nafion과 비교했을 때 낮은 methanol 투과도를 보여주었다. AFM을 이용하여 술폰화된 전해질막의 구조는 이른바 분리된 나 노구조의 미세상과 ionic channel의 접속으로 이루어졌음을 확인할 수 있었다.