새로운 양성자

연구진, 높은 내구성과 이온 전도성을 나타내는 부분 불소화 방향족 이오노머 기반 양성자 전도성 막을 합성

와세다대학

이미지: 제안된 복합막은 2025년까지 자동차 연료 전지에 사용하겠다는 미국 에너지부의 매우 까다로운 기술 목표를 충족하여 강력하고 저렴한 전기 자동차를 위한 길을 열었습니다.더보기

출처: 와세다 대학 및 야마나시 대학의 미야타케 겐지

연료전지는 수소와 같은 청정 에너지원을 활용하고 일련의 산화-환원 반응을 통해 이를 전기로 변환하는 소형 에너지 변환 장치입니다. 구체적으로, 전기 자동차의 핵심 부품인 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 양성자 전도성 막을 사용하여 작동합니다. 불행하게도 이러한 멤브레인은 높은 내구성과 높은 이온 전도성 사이의 균형 문제로 인해 PEMFC의 수명과 성능에 영향을 미칩니다.

이 문제를 극복하기 위해 과학자들은 Nafion HP, Nafion XL, Gore-Select와 같은 화학적, 물리적으로 변형된 퍼플루오로술폰산 고분자막을 합성했는데, 이는 기존에 연료 전지 작동에 사용되는 변형되지 않은 막보다 훨씬 더 내구성이 있는 것으로 입증되었습니다. 불행하게도 기존의 양성자 전도성 막 중 어느 것도 미국 에너지부(DOE)가 자동차 연료 전지에 사용하기 위해 설정한 가속 내구성 테스트 또는 결합된 화학 및 기계적 테스트를 통과하는 매우 까다로운 기술 목표를 충족하지 못했습니다. 2025.

이러한 배경에서 와세다 대학과 야마나시 대학의 미야다케 겐지 교수가 이끄는 일본 연구진은 최근 PEMFC용 새로운 양성자 전도성 막을 합성했습니다. Science Advances 저널에 게재된 그들의 연구는 와세다 대학과 야마나시 대학의 Liu Fanghua 박사와 신슈 대학의 김익수 박사가 공동 집필했습니다.

연구진은 SPP-TFP-4.0(SPP: 설폰화 폴리페닐렌, TFP: 비스(트리플루오로메틸) 테르페닐렌)이라는 부분적으로 불소화된 방향족 이오노머(이온성 가교에 의해 안정화된 열가소성 수지로 구성된 고분자 물질)를 사용하여 양성자 전도성 막을 합성했습니다. 그런 다음 푸시 코팅 방법을 활용하여 전기 방사, 부직포 및 등방성 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF) 나노섬유를 사용하거나 다공성 확장 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)을 사용하여 이오노머를 강화했습니다. 그 결과 각각 두께 14μm와 16μm의 복합막 SPP-TFP-4.0-PVDF 및 SPP-TFP-4.0-ePTFE가 생성되었습니다.

연구진은 이러한 양성자 전도성 막에 대해 다양한 테스트를 수행했으며 PVDF로 강화된 막이 우수하다는 것을 입증했습니다. Miyatake는 "이 제품은 연료 전지 작동 및 120oC의 고온 및 30%의 낮은 상대 습도에서의 현장 화학적 안정성 측면에서 최첨단 화학적으로 안정화되고 물리적으로 강화된 과불소화 Nafion XL 멤브레인을 능가했습니다."라고 강조합니다. .

SPP-TFP-4.0-PVDF 멤브레인은 개방 회로 전압 조건에서 빈번한 습식-건식 사이클링을 사용한 가속 내구성 테스트에서 DOE 목표보다 7배 이상 긴 148,870사이클 또는 703시간의 긴 수명을 입증했습니다. 또한 분해가 거의 없는 높은 화학적 안정성, 다양한 습도 수준에서 안정적인 파열 에너지, 80oC의 상대습도 0~60%에서 매우 안정적인 기계적 특성, 고온(100~120oC)에서 우수한 연료전지 성능을 나타냈습니다.

실제로 제안된 방향족 폴리머 기반의 강화된 양성자 전도성 막은 미래 자동차 연료 전지에 대한 미국 에너지부의 목표를 충족하여 수익성 있는 대안을 제공합니다. 따라서 이번 연구는 고온 작동성과 내구성을 갖춘 PEMFC의 길을 열었습니다. “결과적으로 연료전지 기반 전기자동차는 더욱 강력해지고 저렴해질 수 있습니다. 이는 또한 수소 기반의 탄소 없는 사회를 실현하는 데에도 기여할 것입니다.”라고 낙관적인 Miyatake는 결론지었습니다.