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고온 수소이온 교환막 Nafion/sPPSQ 나노복합체의 제조

전문가 제언: ○ 연료전지 중 실용화를 향해 앞서 나가고 있는 고분자 연료전지에서 연료개질 장치가 필요 없는 직접연료전지가 무게와 부피를 줄일 수 있어 휴대용 기기나 미래 자동차용 연료전지로 관심을 받고 있다. 여기에는 직접메탄올연료전지(DMFC)가 목전의 상용화를 앞두고 있다. 최근 메탄올보다 독성이 적으며 이상적인 청정 연료로 각광을 받고 있는 DME (디메틸에테르)를 사용하는 직접디메틸에테르 연료전지(DDMEFC) 연구가 주목을 받고 있다. DME는 현재 대량생산의 경제성을 갖추고 있다.

○ DDMEFC에서는 수소이온교환막(PEM)을 통한 DME의 크로스오버가 크며, 양극에서의 전기산화반응이 느려 작동온도를 100℃ 이상으로 올려야 할 필요가 있다. 또한 발전 성능의 향상과 전지 소형화를 위한 수소이온전도도의 향상도 필요하다. 연료전지의 성능을 좌우하는 PEM은 과거 Nafion과 같은 퍼플루오로술폰산(PFSA) 수지는 술폰기가 만드는 수소이온의 통로가 가습되어 있어야 하는데 물이 없어지는 고온에서는 충분히 가습되지 않으면 사용이 어려워진다.

○ 100℃ 이상의 고온에서 습기를 보존하고 DME의 크로스오버를 줄이며 수소이온 전도도를 높이기 위하여 현재까지 고체 수소이온 전도체인 무기질의 실리카, ZrP, 이종다중산(HPA)의 텅스토인산(PWA), 텅스토규산((SiWA) 등의 사용이 연구되어 왔다. 본문에서 저자인 한국화학연구원의 남승운 등은 수분 보전용 및 전도성 무기질로 내열성 세라믹계 고분자인 poly(phenyl silsesquioxane)(PPSQ)를 술폰화하여 사용한 내용을 세계 최초로 보고하고 있다. PPSQ는 사다리형 이중 사슬의 실록산 결합을 가져 내열성과 안정성이 큰 나노입자이다.

○ 저자들은 2007년 DDMEFC에 관한 보고를 하여 이 유망한 연료전지에 한국이 앞서고 있음을 보여주고 있다. sPPSQ(술폰화 PPSQ) 5wt%와 Nafion의 나노복합체 막은 용매법으로 잘 분산되었다. 이 조성의 나노복합체 막은 100℃ 이상에서 Nafion 115보다 파워밀도가 훨씬 우수하였다. sPPSQ의 도입으로 이 복합체의 이온통로 크기가 작아져 DME의 크로스오버가 재주조 Nafion보다 감소되었다. 이 기술은 DDMEFC뿐만 아니라 DMFC 및 PEMFC의 고온용 PEM에 응용이 가능할 것이다.

저자: Seung-Eun Nam et al
자료유형: 학술정보