소수성 표면을 가진 천연고분자-에어로겔 나노복합 멤브레인의 제조 및 특성 평가

초록

고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 전해질은 이온 전도도가 높을수록 전력밀도가 증가하기 때문에 출력성능이 증가하며 절연성이 좋을수록 누설전류가 적어진다. 이에 따라 현재 상용화된 Dupont社의 Nafion 전해질이 우수한 성능을 나타내지만 고온, 저습 환경에서 이온전도도가 급격히 감소하며 성능이 저하되고 복잡한 제조공정으로 인해 생산비용이 높다. 따라서 대체가능한 전해질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 천연고분자 한천은 우수한 절연성과 화학 안정성을 가진 재료이며 간단한 정제과정만을 거치기 때문에 가격절감을 이룰 수 있다는 장점이 있다. 또한 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)는 낮은 유리전이온도로 인해 이온 전도도가 높아 고분자 전해질의 재료로서 높은 가능성을 가진 재료이지만 상온에서의 높은 결정성(80%) 때문에 낮은 수소 이온 전도도(∼S/cm)를 나타내는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 천연고분자 한천과 PEO를 복합화 하여 높은 수소이온 전도성을 갖는 비정질의 복합전해질을 제조하고자 하였으며 내열성을 향상시키기 위하여 나노 기공을 갖는 실리카 에어로겔을 첨가하였다. 또한 멤브레인의 수소 이온 전도성을 향상시키기 위하여 친수성 표면을 소수성화하는 표면개질을 실시하였다. 천연고분자와 PEO 및 실리카 에어로겔을 적절한 용매와 첨가제를 사용하여 혼합함으로써 안정된 슬러리를 제조하였고 이를 casting/건조하여 치밀한 고분자전해질 멤브레인을 제조하였다. 제조된 나노복합 멤브레인은 헥산/HMDS(hexamethyldisilazan) 용액 중에 함침하여 표면개질을 실시하였다. 멤브레인의 특성평가를 위해 미세구조를 확인하고 일정한 온·습도에서의 임피던스 분석 및 측정을 통하여 수소 이온 전도도를 계산하였다.