일본 호쿠리쿠 첨단 과학기술 대학원 대학 재료과학 연구과와 나고야 대학 벤처 비즈니스 연구실의 연구 그룹은 연료 전지 재료의 심장부에 해당하는 수소 이온 교환막의 수소 이온 전도성을 폴리머의 배향성을 이용함으로써 고성능화하는데 성공했다고 밝혔다. 

이처럼 차세대 에너지 중 하나로서 주목받고 있는 연료 전지에 대해서는 많은 재료의 고성능화, 저비용화가 요구되고 있어 고성능화 성공은 새로운 연료전지 기술 진화에 크게 전환점이 될 것으로 보인다.

고체 고분자형 연료 전지의 심장부인 수소 이온 교환막에 대해서도 고성능과 저비용을 만족시키는 설계 방침이 요구돼 왔다.

이번에 연구 그룹은 강직한 주쇄 골격을 가진 폴리이미드의 배향성을 이용함으로써, 실온에서의 수소 이온 전도성을 기존 재료인 나피온(Nafion) 막과 비교해 약 5배 높이는 데 성공했다. 성과의 핵심은 폴리머의 배향성을 이용해 수소 이온이 흐르는 길을 만든데 있었다.

차세대 에너지 중 하나로서 주목되고 있는 연료 전지에 대해서는 많은 재료의 고성능화와 저비용화가 시급한 과제이다.

수소-산소형 연료 전지와 메탄올형 연료 전지같은 고체 고분자형 연료 전지의 심장부인 수소 이온 교환막에 대해서도 그 해결이 요구되고 있어, 지금까지 여러 재료 개발이 시도돼 왔다.

현재 연료 전지에 널리 이용되고 있는 수소 이온 교환막은 나피온(Nafion)이라고 불리는 것이 사용되고 있다. 그 구조는 가정에 있는 프라이팬 위의 강고한 테플론 코팅과 같이 소수성 부분 속에 물과 친화성이 높은 강산성의 친수성 부분이 포함돼 있는 형태이다.

이 2가지 부분의 조합과 양의 비율을 조정하는 등 많은 연구가 진행돼 왔지만, 합성이 점점 더 복잡해지기 때문에 그 제조 비용을 포함해 생각하면 이와는 다른 새로운 재료가 필요한 상황이 됐다.

지금까지 연구 그룹은 폴리머의 분자 배향을 갖춤으로써 수소 이온 전도성을 향상시키는 새로운 개발 방식을 이용했다.(2013/5/29, http://www.jaist.ac.jp/news/press/2013/post-357.html) 기존 재료인 Nafion은 배향시키기가 어려워 이런 방법으로는 전도성을 높일 수 없었다.

이번에, 보다 배향하기 쉬운 재료인 폴리이미드에 주목한 결과, 폴리이미드가 배향 구조를 가진 상태인의 경우, 물 분자를 넣는 것으로 수소 이온 전도성이 증가하고 Nafion의 수소 이온 전도성을 초과한다는 것을 발견할 수 있었다.

지금까지 폴리머의 배향성이 수소 이온 전도성을 높일 수 있음을 입증했다.

이번 폴리이미드 재료에 전개함으로써 처음으로 기존 재료인 Nafion 막보다 높은 수소 이온 전도성을 얻을 수 있었다.

이번 연구의 포인트 중 하나로서, Nafion은 비정질(무정형 물질)인데 반해, 이 성과의 폴리이미드는 결정성(규칙적인 구조)을 가지는 것.

따라서, 분자가 형성하는 나노 구조와 수소 이온 운반의 명확한 상관 관계에 대해 알 수 있게 됐다. 따라서, 지금까지 이상으로 수소 이온의 수송 기구에 관해 중요한 지식을 얻을 수 있게 되며, 재료 설계 지침에 피드백이 수월해진다.

이 성과의 핵심은 폴리머의 배향성, 구체적으로는 수소 이온이 흐르는 길의 나노 구조를 제어하는 수소 이온 전도성 향상을 위해 유용하다는 것을 보여준 것에 있다.

이 성과에 의해 차세대 에너지로 주목되고 있는 연료 전지의 수소 이온 교환막에 대해 저비용을 유지한 채로 기존 필름보다 높은 수소 이온 전도성을 얻을 수 있는 가능성이 높아졌다. 이 성과를 응용함으로써 향후 고효율, 저비용의 수소 이온 교환막 제작 등 친환경 연료 전지의 응용전개가 기대된다.

이는 에너지 농장이나 연료 전지 자동차의 응용으로 광범위하게 확대될 수 있다.

이번 연구 성과는 영국 왕립 화학회(RSC)의 "Journal of Materials Chemistry A"에서 곧 공개된다.
 

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