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.

직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells)는 액상의 메탄올을 연료로 직접 사용하는 전기 에너지 전환 장치로서 연료의 값이 싸고 취급이 용이하며 초소형화가 가능하다. Montmorillonite (MMT)가 첨가된 고분자 전해질 분리막의 경우 열적⋅물리적 성질이 개선되며 메탄올 투과도가 감소되는 장점을 가지고 있지만 이온전도도는 감소가 되는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 술폰산기(-SO3H)를 포함하는 MMT를 제조하여 Sulfonated Poly(arylene ether sulfone)(SPAES) 고분자와 sulfonated MMT(sulMMT)를 혼합하여 유⋅무기 복합막을 제조하고 특성평가가 이루어졌다.

In this study, PtRu nanoparticles deposited on binary carbon supports were developed for use in direct methanol fuel cells using carbon blacks (CBs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The particle sizes and morphological structures of the catalysts were analyzed using X-ray diffraction and transmission electron microscopy, and the PtRu loading content was determined using an inductively coupled plasma-mass spectrometer. The electrocatalytic characteristics for methanol oxidation were evaluated by means of cyclic voltammetry with 1 M CH3OHin a 0.5 MH2SO4 solution as the electrolyte. The PtRu particle sizes and the loading level were found to be dependent on the mixing ratio of the two carbon materials. The electroactivity of the catalysts increased with an increasing MWCNT content, reaching a maximum at 30% MWCNTs, and subsequently decreased. This was attributed to the introduction of MWCNTs as a secondary support, which provided a highly accessible surface area and caused morphological changes in the carbon supports. Consequently, the PtRu nanoparticles deposited on the binary support exhibited better performance than those deposited on the single support, and the best performance was obtained when the mass ratio of CBs to MWCNTs was 70:30.

Two types of Pt nanoparticle electrocatalysts were composited on Pt nanowires by a combination of an electrospinning method and an impregnation method with NaBH4 as a reducing agent. The structural properties and electrocatalytic activities for methanol electro-oxidation in direct methanol fuel cells were investigated by means of scanning electron microscopy (SEM), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and cyclic voltammetry. In particular, SEM, HRTEM, XRD, and XPS results indicate that the metallic Pt nanoparticles with polycrystalline property are uniformly decorated on the electro-spun Pt nanowires. In order to investigate the catalytic activity of the Pt nanoparticles decorated on the electro-spun Pt nanowires, two types of 20 wt% Pt nanoparticles and 40 wt% Pt nanoparticles decorated on the electro-spun Pt nanowires were fabricated. In addition, for comparison, single Pt nanowires were fabricated via an electrospinning method without an impregnation method. As a result, the cyclic voltammetry and chronoamperometry results demonstrate that the electrode containing 40 wt% Pt nanoparticles exhibits the best catalytic activity for methanol electro-oxidation and the highest electrochemical stability among the single Pt nanowires, the 20 wt% Pt nanoparticles decorated with Pt nanowires, and the 40 wt% Pt nanoparticles decorated with Pt nanowires studied for use in direct methanol fuel cells.

친전자성 치환반응을 통하여 제조된 술폰화 단량체와 비(非)술폰화 단량체의 직접 중합법을 통하여 서로 다른 술폰화도를 나타내는 술폰화 폴리아릴에테르술폰 공중합체를 합성하고, 이들로부터 직접 메탄올 연료전지용 이중층(層) 고분자 전해질 막을 제조하였다. 우수한 이온 전도특성을 나타내는 술폰화도 50%의 공중합체를 사용하여 전해질 막의 모체(母體) 전도층을 제조하고, 이들의 한쪽 표면에 술폰화도 10%의 공중합체를 도포한 후 건조하여 낮은 메탄올 투과 특성의 코팅층을 형성시켰다. 도포되는 공중합체의 질량비를 5~20%로 조절함으로써 코팅 층 두께에 따른 전해질 막의 특성 변화를 고찰하였으며, 형성된 코팅 층을 막-전극 접합체의 음극 면에 접합시켜 운전 시 메탄올 연료와 직접 접촉하도록 하였다. 이중층 형성 공정을 통하여, 단일 전해질 막과 동등한 수준의 이온 전도 특성을 유지하면서도, 전해질 막을 통한 메탄올 투과 특성이 현저히 개선된 우수한 효율의 고분자 전해질 막 제조가 가능하였다. 작동 온도 60°C, 2 M의 메탄올 공급 환경에서 수행된 연료 전지 성능 평가 결과, 막-전극 접합체 출력 밀도는 5%의 질량비에서 최대 134.01 mW/cm2였으며, 이로부터 상용 나피온 115 대비 105.5%의 향상된 성능 효율을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 설폰기를 함유한 sulfosuccinic acid를 가교제로 사용하였다. 또한, 메탄을 투과도를 줄이기 위해 실리카를 졸-겔 방법을 사용하여 성장시킨 PVA/Silica 하이브리드막을 제조하여 수소 이온 전도도 및 메탄을 투과도에 관하여 연구하였다. 수소 이온 전도도 및 메탄을 투과도는 가교제 농도 및 친수성 SO3H의 함량에 영향을 받았으며, 제조된 막의 수소 이온 전도도는 10-3~10-2 S/cm 범위에 있었고, 메탄을 투과도는 10-8~10-7;cm2/s 를 갖는다.