초록 ▼

연구의 목적 및 내용
수소 연료전지는 지난 수십 년간 그 연구가 저온 작동형(70도 미만) 고분자 전해질 막개발에 집중되어 왔다. 하지만 상용화를 위해 5000시간 이상의 전지 내구성이 요구되면서 낮은 온도에서는 일어나는 백금 촉매 층의 일산화탄소 피독 현상을 간과할 수 없게 되었다. 이에 따라 최근 들어 작동온도를 120도 이상으로 올리는 것이 필수적으로 여겨지고 있지만 고분자막 내부의 수분이 증발하게 되고 수소전도도의 급격한 감소로 인해 연료전지의 출력이 많이 떨어지게 되는 근원적인 문제점에 봉착하게 된다. 때문에 수소 연

연구의 목적 및 내용
수소 연료전지는 지난 수십 년간 그 연구가 저온 작동형(70도 미만) 고분자 전해질 막개발에 집중되어 왔다. 하지만 상용화를 위해 5000시간 이상의 전지 내구성이 요구되면서 낮은 온도에서는 일어나는 백금 촉매 층의 일산화탄소 피독 현상을 간과할 수 없게 되었다. 이에 따라 최근 들어 작동온도를 120도 이상으로 올리는 것이 필수적으로 여겨지고 있지만 고분자막 내부의 수분이 증발하게 되고 수소전도도의 급격한 감소로 인해 연료전지의 출력이 많이 떨어지게 되는 근원적인 문제점에 봉착하게 된다. 때문에 수소 연료전지 상용화를 위해 작동 온도 120도 이상의 온도에서 내구성과 높은 수소 전도도를 보일수 있는 고분자막을 개발하는 것은 필수적이라고 할 수 있겠다. 이를 달성하기 위하여 많은 연구진들이 고온에서의 안정성을 확보할 수 있는 새로운 protic sources의 개발에 대한 연구 노력을 집중시키고 있지만 현존하는 고분자 전해질 물질 중에는 상용화에 근접한 물질이 없으며 새로운 고분자 전해질 시스템을 찾는 것이 시급하게 요구되고 있다. 이에 본 연구진은 고온에서 내구성 및 높은 수소전도도를 동시에 이룰 수 있는 새로운 시스템인 고분자 전해질/이온성 액체 나노구조체를 개발하고자 하였다.
연구결과
본 연구진은 Brönstead 산염기 이온성 액체를 이온성 블록공중합체에 도입하여 고온-무수환경에 사용될 수 있는 고분자 전해질 물질을 개발하였다. 본 연구에서 사용된 고분자는 술폰화된 블록공중합체(PSS-PMB)이며 이온성 액체가 도입되었을 때 180도까지 열적으로 안정함이 증명되었다. PSS-PMB 고분자는 술폰화도의 조절이 용이하여 protic site의 개수를 효과적으로 조절할 수 있었으며 이를 통해 수소이온의 hopping rate를 성공적으로 제어할 수 있었으며 이는 궁극적으로 높은 수소전도도를 얻을 수 있는 근원 기작으로 작용한다는 것 또한 확인할 수 있었다. 첨가되는 이온성 액체의 양이 증가함에 따라 수소 전달체의 개수가 늘어나면서 역시 향상된 수소 전도도를 얻을 수 있음을 알 수 있었으며 특히 정렬된 나노구조가 없는 많은 고분자 전해질(상용화된 Nafion 117 포함)에 비해서 블록공중합체 전해질을 사용하였을 때 그 전도도가 10배 이상 향상된다는 것을 발견하였다. 이러한 일련의 연구 결과를 토대로, 특히 헤테로고리형 양이온을 기반으로 하는 이온성 액체의 분자 디자인을 통해 높은 수소전도도(0.05S/cm, 180도) 및 우수한 기계적 강도를 보이는 새로운 고분자 전해질/이온성 액체 나노구조체를 개발할 수 있었다. 이러한 본 연구진의 연구 결과는 연료전지 뿐만 아니라 다양한 전기화학 디바이스에 적용될 수 있을 것이다.
연구결과의 활용계획
수소연료전지의 경우 2014년 현재 미국, 유럽, 일본을 중심으로 그 개발에 박차를 가하고 있고, 최근에는 중국도 온실가스 배출을 줄이기 위해 지속적인 투자 중이다. 미국, 일본,한국의 자동차 회사들이 2015년 이후 연료전지 자동차를 양산화 하는 계획을 발표했음을 고려해 볼 때 고분자 전해질 막 연료전지 시장 역시 동반 성장할 것으로 예상되며 따라서 본 연구진이 개발한 새로운 개념의 고분자 전해질/이온성 액체 나노구조체는 연료전지 시장에서 국제 경쟁력을 향상시키는데 기여할 것이다. 실제적인 기능성 나노구조체 개발의 태동기인 지금 합성 기술과 제어 기술을 보유함으로서 차세대 나노구조체를 이용한 산업분야에서 국제적 우위를 선점할 수 있는 인력양성을 할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼

Purpose&contents
Proton conducting polymers have been the subject of extensive study for proton exchange fuel cell (PEFC), which offers the prospect of supplying clean energy for automotive. One of the key challenges in advancing the technology lies in the long term stability and durability of th

Purpose&contents
Proton conducting polymers have been the subject of extensive study for proton exchange fuel cell (PEFC), which offers the prospect of supplying clean energy for automotive. One of the key challenges in advancing the technology lies in the long term stability and durability of the system. Major issues are carbon monoxide (CO) poisoning of the platinum catalyst at the anode side. The way of overcoming these issues may be simple if operation temperature of PEFC is enhanced above 120 ℃ and low humidification condition is used. Therefore, there is a growing need to develop new system to replace water with non-volatile, high boiling point, and high proton conducting solvents to alleviate the durability concerns.
Result
In present study, we are motivated to prepare the novel anhydrous proton-conducting membranes formed by incorporating Brönsted acid-base ionic liquids into block copolymer matrices. The system of interest is nearly monodisperse PSS-PMB block copolymers, where -SO₃H groups of polymers act as proton active sites, therefore enhancing conductivity. Our results indicate that the composite membranes are transparent, flexible, and show a good thermal stability upto 180 ℃. In addition, the increase in sulfonation level of PSS-PMB copolymers (proton supplier) and concentration of ionic liquid (proton mediator) brings overall increase in conductivity.
Compared with the membranes lacking organization, the nanostructured composite membranes revealed over an order of magnitude increase in proton conductivity where the utmost conductivity of 0.05 S/cm is obtained at water-free condition and T = 165 ℃. The proton hopping and diffusion mechanisms of ionic liquid/polymer electrolytes were also systematically examined. Our results suggest that well-defined nanostructure could significantly improve proton transport compared with many other systems having discrete irregular and large ion conducting domains (including Nafion^®117). The morphology effect and curing effect on proton conductivity were revealed by a combination of small angle x-ray scattering,transmission electron microscopy, nanoindentation, and electrochemical measurements.
Expected Contribution
In recent years, United States, Europe, Japan, and China have devoted to their attention to the development of proton exchange fuel cells in order to reduce greenhouse gas emissions. Upon considering the fact that United States, Japan, and Korea have announced plans to mass-produce cars in 2015, the polymer electrolyte membrane fuel cell market is also expected to grow and thus, our results will contribute to secure the international competitiveness in the era of fuel cells. We also anticipate that our research will lead to valuable technology manpower cultivation, enabling to achieve superiority in the next generation nanotechnology.