고분자 전해질 막 및 그 제조방법

본 기술은 2층 이상의 계층적 구조를 갖는 고분자 전해질 막에 관한 것입니다. 이 구조는 막의 유효 표면적을 넓히고 평균 두께를 줄여 이온 이동 저항을 감소시키며, 이온 전도도를 향상시킵니다. 동시에 막 두께 감소로 인한 기계적 강도 저하 문제를 해결하여, 다양한 에너지 전지 소자에 효과적으로 활용될 수 있는 혁신적인 고분자 전해질 막 기술입니다.

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 높은 전류 밀도와 낮은 운전 온도를 장점으로 자동차, 이동용 전원 등 다양한 분야에서 연구가 활발히 진행 중입니다.

• 연료전지의 성능은 수소 이온을 전달하는 고분자 전해질 막의 성능에 크게 좌우됩니다.

• 기존의 막 성능 향상 방법(표면 압착, 화학적 침식, 이온 조사 등)은 막의 화학 구조를 변화시키거나 기계적 강도를 약화시키는 등 물성을 저하시키는 한계가 있었습니다.

기술의 필요성

• 기존 기술의 한계를 극복하고, 이온전도도와 기계적 강도를 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 고분자 전해질 막 개발이 필요했습니다.

• 본 발명은 계층적 미세구조를 도입하여 평균 막 두께를 줄여 이온전도도를 높이고, 구조적 특징으로 기계적 강도 저하 문제를 해결하고자 합니다.

• 또한, 증가된 표면적을 통해 촉매와의 접촉 저항을 감소시켜 적은 양의 촉매로도 높은 성능을 구현하는 고효율 연료전지를 제공할 필요가 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명의 핵심은 2층 이상의 계층적 구조를 일체로 형성하고, 각 층에 미세입체패턴을 형성하는 것입니다. 이 구조는 다음과 같은 원리로 작동합니다.

• 평균 막 두께 감소: 계층적 구조를 통해 전체적인 막의 평균 두께를 줄여, 이온 이동 거리를 단축시키고 저항을 감소시켜 이온 전도도를 향상시킵니다.

• 기계적 강도 유지: 얇은 부분과 두꺼운 부분이 공존하는 구조적 특징 덕분에, 막 두께 감소로 인해 발생할 수 있는 기계적 강도 저하 문제를 해결합니다.

• 표면적 증가: 각 층에 형성된 미세 패턴은 막의 비표면적을 현저히 증가시켜, 촉매층과 전해질 막 사이의 접촉 저항을 감소시키고 수소 이온 이동을 원활하게 합니다.

구체적인 구현 방법

계층적 구조를 갖는 고분자 전해질 막은 다음과 같은 단계를 통해 제조됩니다.

1. 기판 위에 고분자 전해질 막을 위치시킵니다.

2. 고분자 전해질 막 위에 양각 미세패턴이 형성된 2개 이상의 층을 갖는 계층적 구조물(몰드)을 위치시킵니다.

3. 샌드위치 구조물에 고분자 전해질 막의 유리전이온도 이하의 온도와 10~20 kg/cm-2의 압력으로 가열 압착하여 계층적 구조를 전사합니다.

4. 기판과 계층적 구조물(몰드)을 고분자 전해질 막으로부터 분리하여 최종 제품을 완성합니다.

기술의 장점

• 뛰어난 성능 향상: 미세입체패턴이 없는 막 대비 비표면적이 1.9배 이상 증가하고, 이온 이동 저항은 15% 이상 감소합니다.

• 높은 전력 밀도: 일반 막을 사용한 경우보다 최대 전력 밀도가 최대 40% 이상 상승합니다. (80℃, 1기압 조건)

• 최적화된 막 두께: 가장 두꺼운 부분은 50μm 이하, 가장 얇은 부분은 10μm 이상으로 설계되어 이온전도도와 기계적 안정성을 모두 확보합니다.

• 촉매 사용량 절감: 막-전극 접합체의 전기화학적 활성 면적이 65m²/g 이상으로, 단위 면적당 0.05~0.4 mgPt/cm²의 적은 백금 촉매 양으로도 우수한 성능을 구현하여 제조 비용을 절감할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서는 계층적 미세구조를 갖는 고분자 전해질 막(실시예 1)과 평평한 일반 막(비교예 1)의 성능을 비교 평가하고자 했습니다. 실험의 주 목적은 제안된 막의 전기화학적 활성 면적(EAS), 전력 밀도, 그리고 임피던스(저항) 특성을 측정하여 기술의 우수성을 정량적으로 입증하는 것입니다.

실험 방법 및 과정

1. 막 준비: 실시예 1(계층적 미세구조 막)과 비교예 1(평평한 Nafion 막)을 준비하고 금속 오염 물질 제거 및 H+ 이온 형태 전환을 위해 전처리를 수행했습니다.

2. 막-전극 접합체(MEA) 제조: 백금 촉매 슬러리를 제조한 뒤, 스프레이 공법을 이용하여 준비된 각 막의 양면에 코팅하여 막-전극 접합체를 제작했습니다.

3. 단위 전지 조립: 제작된 막-전극 접합체 양면에 기체확산막(SGL 35 BC)을 접합하여 평가용 단위 전지를 완성했습니다.

4. 성능 평가: CV(Cyclic Voltammogram) 측정을 통한 전기화학적 활성 면적(EAS) 평가, 다양한 압력 조건에서의 전력 밀도 측정, 그리고 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)를 통한 임피던스(저항) 측정을 진행했습니다.

실험 결과

실험 결과, 계층적 미세구조를 적용한 실시예 1의 막은 모든 성능 지표에서 비교예 1의 평평한 막보다 월등한 특성을 보였습니다. 특히 전기화학적 활성 면적(EAS)과 최대 전력 밀도가 크게 향상되었으며, 이는 이온 이동에 의한 저항이 감소한 결과입니다.

임피던스 측정 결과, 실시예 1은 비교예 1에 비해 전해질막의 저항(R전해질막)이 약 20.6% 감소하고, 양극 저항(R양극)도 약 19.5% 감소한 것으로 나타났습니다. 이는 계층적 미세구조가 이온전도도를 효과적으로 향상시키고 전극 반응을 촉진함을 의미합니다.