술폰화 그래핀 옥사이드 및 세륨 옥사이드로 개질된 연료전지용 나피온 복합 막

Abstract

고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 현재 전기 자동차의 친환경적인 전력원으로 각광받고 있다. 특히 대표적인 제품으로 DuPont社의 Nafion이 흔히 사용된다. 본 연구에서는 기존의 Nafion 소재의 물성상 한계를 극복하기 위해 여러 보강재를 도입한 고분자 복합체를 제조하였다. 술폰화 그래핀 옥사이드(SGO) 및 세륨 옥사이드(ceria)를 보강재로 이용하여 기계적 물성, 수소 이온 전도도 및 화학적의 향상을 도모하였다. 유기 합성을 통해 SGO를 제조하였으며, 성분 및 결합 분석을 통해 올바른 합성 여부를 확인하였다. 보강재와 Nafion의 혼합을 통한 캐스팅으로 복합체를 제조하였다. 보강재의 다양한 함량비를 통해 기계적 물성, 수소 이온 전도도, 화학적 내구성과 같은 다양한 특성을 평가하였다. 기계적 강도가 매우 높은 GO와 SGO의 특성이 복합체에 반영되어 높은 인장탄성률을 나타내었다. 또한 SGO의 첨가를 통해 복합체 내의 술폰기 밀도를 높여, 보강재의 도입으로 인한 수소 이온 전도도의 하락을 보완하였다. 이는 SGO의 술폰기가 Nafion 멤브레인 내의 이온 클러스터에 의해 채널이 잘 형성되도록 하였기 때문이라 판단하였다. 이와 같은 거동은 함수율 및 길이 변화율을 통해서도 확인할 수 있었다. 마지막으로, Fenton 시험을 통해 ceria의 도입을 통해 복합체의 화학적 열화를 방지하여 내구성을 향상할 수 있음을 확인하였다. 결과적으로 SGO 2 wt%, ceria 3 phr 함량의 Nafion 복합체는 단일 Nafion 소재 대비 기계적 강도 55.8%(인장탄성률 기준), 화학적 내구성 48.19%가 향상되었으며, 수소 이온 전도도는 기존 소재 대비 88.5%(RH 50, through-plane 기준) 수준을 유지하는 소재를 제조할 수 있었다.