연료전지 핵심 소재인 고분자 전해질막은 높은 내화학성과 수소이온전도성을 갖는 과불소계 술폰산 이오노머가 주로 사용된다. 하지만 이러한 이오노머조차도 연료전지 구동 중 발생하는 라디칼 공격으로 인해 화학적 분해가 발생하여 장 기 내구성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이를 완화하기 위해 라디칼 스캐빈저로 도입이 간편한 이온형 산화방지제를 적용하고 있으나, 연료전지 구동 중 전극 간 전위차에 의해 세륨 이온이 이동(cerium ion migration)하는 현상으로 스캐빈저 효과가 감 소하는 문제가 있다. 본 연구에서는 강화막 내에서 세륨 이온의 이동성을 조절하기 위한 방안으로 폴리에틸렌글리콜(PEG) 도입을 제시하였으며, 이를 통해 PEG 도입이 강화막의 내구성에 미치는 영향을 조사하였다.

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.

본 연구에서는 산 폐수에서 효율적인 산-금속이온 분리를 위한 전기투석 공정에 적용할 수 있는 1가 이온에 대한 높은 선택성을 가진 양이온 교환막의 제조에 관한 연구를 수행하였다. 설폰산기를 가진 sodium 4-vinylbenzenesulfonate (NaSS), 포스폰산기를 가진 vinylphosphonic acid (VPA) 단량체 및 가교제를 비대칭 구조의 다공성 지지체에 충진하고 in-situ 광중합을 통해 세공충진 양이온 교환막을 제조하였다. 제조된 세공충진 양이온 교환막은 상용막 대비 이온교환용량이 다소 낮았으나 실제 응용에 적합한 수준의 전기적 저항 및 기계적 물성을 나타내었다. 다양한 NaSS:VPA 몰 비율로 제조된 세공충진 양이온 교환막과 상용막(CSE, Astom, Japan)의 H+/Fe2+ 혼합용액에서의 선택투과도를 측정한 결과 NaSS:VPA = 25:75 조건에서 가장 우수한 선택투과도를 확인하였으며 이는 상용막 대비 10 이상 높은 값이었다. 또한 최적 조건의 제조막 을 이용한 H+/Fe2+ 혼합용액의 전기투석 결과 상용막 대비 우수한 산-금속 이온 분리 성능을 확인할 수 있었다. 이온전도성이 우수한 설폰산기와 금속이온에 대한 결합력이 강한 포스폰산을 함께 도입한 양이온 교환막은 Fe2+ 이외에도 산 폐액으로부터 다양한 유가 금속이온을 분리하는 데 효과적일 것으로 기대된다.

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.