전 세계적으로 친환경 대체 에너지 발전에 힘쓰고 있으며 국내 많은 기업들 또한 연료 전지 기술 개발을 위해 집중 산업도시를 만드는 등의 사업 확장을 이루고 있다. 연료 전지는 그러한 대체 에너지 중 하나로 다양한 응용 분야 중 우리에게 제일 가까이 다가온 분야는 수소 자동차이다. 수소 자동차에 쓰이는 연료 전지 종류는 고분자 전해질 연료 전지 (PEMFC)로 PEMFC가 상업화 되는데 있어 제일 큰 이슈가 가격이다. 원가의 40%를 차지하는 것이 stack 부품이며 이 부품에는 전해질막이 포함되어 있다.
본 연구는 이러한 전해질막의 가격을 낮추기 위해 기존에 쓰이고 있던 좋은 물성이지만 높은 가격인 불소계 고분자 대신 낮은 가격인 탄화수소계 고분자를 베이스로 사용하여 연구를 진행하였다. 탄화수소계 고분자의 단점인 낮은 물성 및 습도 의존성을 극복하기 위해 part 1, 2에 나눠 두 방향으로 연구를 진행하였다.
Part 1에서는 세륨 옥사이드(Ceria)와 가돌리늄이 도핑된 세륨 옥사이드 (GDC) 나노입자를 composite한 새로운 복합 막을 개발하여 나노입자가 가지는 친수성 및 가돌리늄 도핑으로 인한 신소 공실 증가를 통해 전도성을 향상 시키고 나노입자 첨가로 인해 구조 밀도를 높여 기계적 물성을 향상 시키는 목표를 가지고 연구를 진행하였다. 1wt%의 나노입자가 포함된 복합막을 제조하여 IEC 및 water uptake, 부피 팽창률 변화를 평가하였으며 bound water 양과 그에 따라 향상된 저가습 이온 전도도도 확인하였다. 50% RH의 조건에 SPEEK 및 SPEEK/ceria, SPEEK/GDC 전해질 막에 대해 각각 0.23 및 0.74, 1.99mS/cm의 이온 전도도를 기록 하였다. 뿐만 아니라, SPEEK/GDC 복합막의 경우 증가된 기계적 물성과 Fenton's test에 따른 개선된 화학적 안정성을 확인하였다.
Part 2에서는 IPA 및 SIPA라는 물질을 가교제로 사용하여 이중 가교 결합을 통하 강한 화학적 결합 구조를 만들어 물성을 높이고 가교제에 설포닉 그룹을 도입하여 저 가습에서의 물 흡수를 도와 저 가습에서의 전도성을 향상 시키는 목표를 가지고 연구를 진행하였다. 결과적으로 가교 결합을 하면 compact한 구조 변화로 인해 전체적으로 내구성이 향상되는 것을 확인하였다. 그러나 가교제 함량이 너무 많아지면 오히려 구조가 over compact해져 성능이 감소되는 현상이 일어났다. 가교제에 설폰산기를 도입할수록 무조건적으로 물 흡수가 증가하고 성능이 좋아지는 것이 아니고 오히려 설폰산기가 다른 구조와 추가적인 결합이 진행되면서 설폰 산기 수가 줄어들 수 있는 가능성이 있다는 사실을 확인하였다. 설폰산기가 도입되지 않은 IPA 가교제가 오히려 구조 정렬로 인해 전도성이 좋게 나타남을 확인하였다. 적절한 이중 결합 가교제 비율 정도와 함량 정도는 SIPA7:IPA3 비율의 5%함량 전해질막인 것을 최종적으로 확인하였고 제일 높은 저 가습에서의 전도성을 보여주었다.