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연료전지 시스템은 대표적인 신재생에너지 중 하나로서, 고분자 전해질막은 연료전지 내부에서 산화극에서 생성된 수소이온을 환원극으로 전달해 주는 역할을 한다. 이때 수화채널은 수소이온의 통로 역할을 하게 되므로 이온전달 능력을 결정하는 매우 중요한 요소가 된다. 이를 정확히 파악하기 위하여, 원자 및 분자 수준에서 물질의 구조를 모사할 수 있는 ...

연료전지 시스템은 대표적인 신재생에너지 중 하나로서, 고분자 전해질막은 연료전지 내부에서 산화극에서 생성된 수소이온을 환원극으로 전달해 주는 역할을 한다. 이때 수화채널은 수소이온의 통로 역할을 하게 되므로 이온전달 능력을 결정하는 매우 중요한 요소가 된다. 이를 정확히 파악하기 위하여, 원자 및 분자 수준에서 물질의 구조를 모사할 수 있는 분자동역학 전산모사 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만, 고분자 전해질막의 특징인 내부에 존재하는 많은 물분자와 전달현상 전산모사를 위한 긴 계산 시간은 넘어야할 장벽이다. 본 연구에서는 고분자 전해질막을 구성하고 있는 고분자 주쇄의 반복단위 개수를 변경해 가며 수화채널 모폴로지와 이온전도도의 변화를 비교하였고, 최종적으로 분자동역학 전산모사 수행 시에 적정한 고분자 모델을 선정하기 위한 기준을 제시하고자 하였다. 고분자 주쇄의 길이가 가장 짧은 모델에서 주쇄 및 술폰산기의 움직임이 커지는 것을 관찰할 수 있었지만, 수화채널 모폴로지는 특별한 상관관계를 발견할 수 없었다. 또한, 수화채널 모폴로지에 가장 큰 영향을 받는 수소이온 전달 능력의 특성 상, 수소이온 전도도에서도 고분자 주쇄의 길이와 큰 상관관계를 보이지는 않았다. 이러한 결과는 특히 바인더용 이오노머 제조에 대한 중요한 정보를 제공한다. 일반적으로 바인더용 이오노머의 경우 고분자 전해질막 소재를 저분자량으로 합성하여 사용하게 되는데, 이때 주쇄/술폰산기의 움직임이 향상되므로 촉매층을 잘 둘러싸는 역할을 할 수 있는 반면에, 수소이온 전달 능력 자체에 있어서는 특별한 변화가 없을 것을 예상할 수 있다. 결론적으로, 바인더용 이오노머 제조 시에는 수소이온 전달 성능 보다는 물성에 좀 더 초점을 맞추어 분자량 및 구조 설계가 필요할 것이다.

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