세계적인 탄소중립 정책 추진과 수소 에너지 수요 증가에 따라 고분자 전해질 수전해 및 연료전지 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 해당 기술의 핵심 소재인 과불소계 술폰산 이오노머는 우수한 전기화학적 특성과 화학적 안정성을 가지고 있지만, 높은 제조비용, 한정된 공급망, 강화되는 환경 규제와 같은 문제로 인해 효과적인 재활용 및 재제조 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 초임계 분산 기술을 통해 전해질막 및 막-전극접합체의 제조과정에서 발생하는 고활성을 갖는 전해질막 스크랩을 연료전지 전극바인더로 재제조하는 방법을 제시하고자 한다.

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.

To fabricate intermetallic nanoparticles with high oxygen reduction reaction activity, a high-temperature heat treatment of 700 to 1,000 °C is required. This heat treatment provides energy sufficient to induce an atomic rearrangement inside the alloy nanoparticles, increasing the mobility of particles, making them structurally unstable and causing a sintering phenomenon where they agglomerate together naturally. These problems cannot be avoided using a typical heat treatment process that only controls the gas atmosphere and temperature. In this study, as a strategy to overcome the limitations of the existing heat treatment process for the fabrication of intermetallic nanoparticles, we propose an interesting approach, to design a catalyst material structure for heat treatment rather than the process itself. In particular, we introduce a technology that first creates an intermetallic compound structure through a primary high-temperature heat treatment using random alloy particles coated with a carbon shell, and then establishes catalytic active sites by etching the carbon shell using a secondary heat treatment process. By using a carbon shell as a template, nanoparticles with an intermetallic structure can be kept very small while effectively controlling the catalytically active area, thereby creating an optimal alloy catalyst structure for fuel cells.

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are an auspicious energy conversion technology with the potential to address rising energy demands while reducing greenhouse gas emissions. The stack’s performance, durability, and economy scale are greatly influenced by the materials used for the PEMFC, viz., the membrane electrocatalyst assembly (MEA) and bipolar flow plates (BPPs). Despite extensive study, carbon-based materials have outstanding physicochemical, electrical, and structural attributes crucial to stack performance, making them an excellent choice for PEMFC manufacturers. Carbon materials substantially impact the cost, performance, and durability of PEMFCs since they are prevalently sought for and widely employed in the construction of BPPs and gas diffusion layers (GDLs)) and in electrocatalysts as a support material. Consequently, it is essential to assemble a review that centers on utilizing such material potential, focusing on its research development, applications, problems, and future possibilities. The prime focus of this assessment is to offer a clear understanding of the potential roles of carbon and its allotropes in PEMFC applications. Consequently, this article comprehensively evaluates the applicability, functionality, recent advancements, and ambiguous concerns associated with carbonbased materials in PEMFCs.

Ammonia is considered a promising hydrogen carrier due to its high hydrogen density and liquefaction temperature. Considering that the energy efficiency generally decreases as chemical conversion is repeated, it is more efficient to directly use ammonia as a fuel for fuel cells. However, catalysts in direct ammonia fuel cells have the critical issues of sluggish ammonia oxidation reaction (AOR) rate and poisoning of reaction intermediates. In particular, the use of precious metal as cathodic catalysts has been limited due to ammonia crossover and poisoning. In this study, we introduce Fe-based single-atom catalysts with selective activity for the oxygen reduction reaction (ORR) even in the presence of ammonia. As the Fe content increased, the single-atom structure of the catalysts changed into Fe nanoparticles or carbides. Among our Fe–N–C catalysts, FeNC-50 with a Fe loading amount of 0.34 wt% showed the highest ORR performance regardless of the ammonia concentration. In particular, the difference in activity between the catalysts increased as the concentration increased. The FeNC-50 catalyst showed remarkable stability after 1000 cycles. Therefore, we believe that single-atom dispersion is an important factor in the development of stable non-precious catalysts with high activity and inactivity for the ORR and AOR, respectively.

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.