Nafion polymer electrolyte, which is essential material of polymer fuel cells, is activated by water and shows conductivity. However, such aqueous electrolyte is volatile at room temperature, and the operating temperature is limited to 100 ℃. In order to overcome this problem, we tried to activate Nafion polymer electrolyte by using room temperature ionic liquids. The influence of the molecular structure of room temperature ionic liquid on conductivity is evaluated by controlling ethyl, butyl, and iso-butyl groups into an alkyl group of alkylmethylimidazolium cation. Also their anion structure is controlled with tetrafluoroborate and bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide. For the high conductivity of Nafion polymer electrolytes, Nafion polymer electrolytes with high conductivity and high temperature operation are studied by mixing 60-120 wt% of room temperature ionic liquids during casting of Nafion solution.

고분자 연료전지의 핵심 소재 중 하나인 Nafion 고분자 전해질은 전도성을 부여하기 위해 물을 이용하여 활성화하여 사용한다. 그러나 수용액은 상온에서도 휘발성이 있고, 끓는점이 100 ℃로 제한되어 고분자 연료 전지의 작동 온도 범위를 제한하는 가장 큰 이유로 지적되고 있다. 이를 극복하기 위하여, 상온에서 휘발성이 없으면서도 전도성을 띠는 상온 이온성 액체를 이용하여 Nafion 고분자 전해질을 활성화하고자 하였다. 상온 이온성 액체의 구조가 전도도에 미치는 영향성을 파악하기 위해, 상온 이온성 액체의 alkyl-methylimidazolium 양이온을 기준으로 alkyl기에 ethyl, butyl, iso-butyl 기를 각각 도입하고, 음이온을 tetrafluoroborate, bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide)로 제어하여, Nafion 고분자 전해질을 활성화하였다. 또한 Nafion 고분자 전해액 내에 높은 상온 이온성 액체 함침(impregnation)을 통한 높은 전도성 구현을 위하여, Nafion 용액의 casting 시 60-120 wt%의 상온 이온성 액체를 혼합하여, 높은 전도도와 고온 작동성을 갖는 Nafion 고분자 전해질을 연구하였다.

Keywords: proton-conducting membrane, ionic liquids, perfluorinated membrane, polymer electrolyte membrane fuel cell, direct methanol fuel cell

심한 유가 변동에 의한 불안정한 화석 연료 공급, 이산화탄소 발생으로 인한 지구온난화 문제는 기존의 화석연료를 통한 에너지 생산을 회의적으로 바라보게 한다. 보다 지속적이면서도 효과적인 에너지 생산 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다. 다양한 새로운 에너지 생산시스템 중, 연료 전지(fuel cell)는 태양전지, 풍력발전 등의 신재생 에너지 생산에 비해 에너지 원의 변동에 영향을 받지 않고, 동시에 에너지 생산 효율이 우수하고, 능동적인 에너지 생산을 통한 에너지 관리가 용이하여 많은 주목을 받고 있다. 수소와 산소를 결합하여 전기에너지를 얻는 기본 개념을 바탕으로 다양한 형태의 연료전지가 보고되고 있다. 이들 중 상온에서 작동이 용이하고, 다소 불안전한 수소를 직접 사용하지 않는 직접 메탄올 전지(direct methanol fuel cell, DMFC)에 대한 연구가 꾸준히 이루어 지고 있다.
하지만, 오랜 기간 동안 많은 연구들이 진행되어 왔음에도 불구하고, 다양한 문제점들로 인하여, 여전히 직접 연료전지의 사용은 제한적이다. 예를 들어, 음극에서의 높은 methanol 반응 속도 저항과 양 쪽 전극 사이에서 원치 않는 메탄올 cross-over, 부산물 중 하나인 일산화 탄소에 의한 촉매 피독 현상들을 들 수 있다. 따라서 이러한 연료전지의 작동을 좀 더 용이하게 하기 위해서는 고온 작동을 통해 해결 가능하다. DMFC는 내부에 양극/음극 사이에 가장 신뢰성 있는 고분자 전해질 중 하나인 Nafion을 주로 사용하고 있다. Nafion은 proton 전도성을 보이기 위하여, 물을 전도 매개체로 사용하고, 이는 DMFC 내부에서 고분자 전해질 겸 분리막으로 사용한다. 그러나 Nafion의 내부에 존재하는 물은 상온/고온 작동 시 휘발되어 작동 환경이 높은 습도가 유지되어야 한다. 이러한 원인으로 온도가 증가할수록, Nafion의 전도도는 급감하여, 장기 수명에 부정적 영향을 주어 DMFC의 고온 작동은 제한적이다.^1-3
한편, 상온 이온성 액체(room temperature ionic liquid)는 높은 이온성 인력을 갖으면서도, 양이온, 음이온의 bulky한 구조 제어를 통해 전자 분산도를 높여 상온에서도 액체 상태를 갖는 이온성 물질을 일컫는다. 대표적으로 imidazolium, pyrrolidinium, piperidinium의 양이온과 tetrafluoroborate(BF₄-), hexafluorophosphate(PF₆-), bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide) (TFSI)와 같은 음이온들의 조합으로 다양한 구조가 제안되어 있다. 이러한 상온 이온성 액체는 액체 임에도 불구하고, 증기압이 없고, 휘발되지 않는 성질을 갖는다. 또한 유기 구조의 상대적으로 높은 열적 안전성을 토대로 높은 열적 안전성을 보이며, 동시에 이온성 물질이기 때문에 전도도가 우수하다.^4-7
따라서 본 논문에서는 상기 상온 이온성 액체를 이용하여, Nafion 소재의 물을 대체하여 고온 작동 가능한 Nafion 고분자 전해질을 연구하고자 한다. 이를 토대로 Nafion의 높은 전도도를 추구하면서, 고온 안전성을 확보하는 연구를 진행하였다. 이는 장기적으로 DMFC의 작동 온도 범위를 향상하여, 작동 효율을 증대시키고, CO 촉매 피독 현상을 경감할 것으로 생각된다. 또한 고온 작동 시 에너지 변환 반응의 활성화 에너지를 낮추고, Nafion 고분자 전해질의 전도도 향상을 통하여, 더 우수한 성능을 낼 것으로 기대된다.