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직접메탄올 연료전지를 위한 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌 옥사이드)와 몬모릴로나이트로 만든 나노복합체막의 제조와 특성평가

전문가 제언: ○ 휴대용 기기에는 경량, 저온 작동에서 높은 에너지밀도와 액체 연료의 취급 용이성을 갖는 직접메탄올 연료전지(DMFC)가 짧은 수명의 리튬이온전지를 대체하기 위하여 활발하게 연구 개발되고 있다.

○ DMFC 성능에 여러 부품이 공헌하고 있으나 PEM(수소이온교환막 또는 고분자전해질막)이 심장역할을 하고 있다. PEM 재질로 실적이 많았던 DuPont사의 퍼플루오르술폰산(PFSA) 수지계의 Nafion은 열적 기계적 특성이 우수하고 수소이온전도도가 높았다. 그러나 높은 가격과 메탄올 투과도(메탄올 크로스오버: MCO) 등의 문제가 있었다.

○ 보다 염가의 탄화수소계 고분자재료를 술폰화하여 수소이온전도도를 높이고 무기질 입자에 의해 메탄올을 우회시켜 MCO를 낮추려는 대체연구가 많았다. 그러나 수소이온전도도와 MCO의 상반되는 특성 만족이 어려웠다. 미국 DOE(에너지부)는 2010년 상용화를 전제로 DMFC의 성능목표와 이를 위한 2010년 PEM의 구체적 달성목표 특성을 제시하였다. 발전 와트당 비용, 80℃ 이상의 고온내구성 등이 제시되었으나 수소이온전도도 8×10-2Scm-1 및 MCO 5.6×10-6cm2s-1(25℃)이 핵심이다.

○ 본문에서는 유기 나노점토인 몬모릴로나이트(MMT)를 술폰화 poly(2, 6-dimethyl-1,4-phenylene oxide)의 용액에 가하여 주조 성형이 가능한 나노복합체막을 개발하여 단일셀 발전 시험한 내용을 소개하고 있다. 메탄올농도 5M에서 최적 술폰화도 27%와 MMT 함량 2%에서 실온 수소이온전도도 1.08×10-2Scm-1 및 실온 MCO 1.7×10-7cm2s-1를 보여 DOE 목표에 근접한 놀라운 결과를 과시했다. 종횡비가 높은 MMT 사용이 MCO를 우회시킨 결과이었으나 수소이온전도도는 제한을 받았다.

○ 미국의 PolyFuel사가 5,000시간의 내구성과 80mW/㎠의 출력밀도 그리고 MCO는 Nafion 117의 1/3을 시현하여 세계적으로 단연 앞섰다. 이 회사는 더 나아가 미국 NIST로부터 200만 달러의 연구자금을 받아 현재의 MCO의 75%를 2년 내 줄인다는 연구에 착수하였다. 한국도 2006년 연세대의 한학수/김현종 등 팀의 이종다중산(HPA)-실리카 입자를 Nafion에 사용한 고온용 DMFC막 연구 발표 등 연구가 활발하다.

저자: Mohammad Mahdi Hasani-Sadrabadi, Shahriar Hojjati Emami, Homayoun Moaddel
자료유형: 학술정보