| 초록 |
직접메탄올 연료전지는 산소와 메탄올의 연료를 이용하여 전기화학적 반응을 통해 연료가 가지고 있는 화학적 에너지를 전기화학적 에너지로 바꾸어 주는 발전장치이다. 직접메탄올 연료전지에 적용되는 고분자 전해질 막으로는 높은 프로톤 전도도와 우수한 열적/화학적 안정성을 가지고 있는 Nafion이 가장 많이 연구되고 있으나 메탄올 크로스오버 현상에 의해 연료 손실과 함께 전극의 오염으로 연료전지의 수명이 단축되는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하고자 다양한 술폰화 베타-사이클로덱스트린 나노입자를 나피온 용액에 첨가하여 나피온/술폰화 베타-사이클로덱스트린 복합막을 제조하고 이들에 대해 직접메탄올 연료전지용 전해질막으로서의 성능평가를 시행하였다. 결과로서, 복합막 내에 술폰화 베타-사이클로덱스트린 함량이 증가할수록 메탄올 투과도 값은 거의 변화가 없으면서 이온교환용량 및 프로톤 전도도 값은 증가하였다. 특히, 프로톤 전도도 및 메탄올 투과도 특성은 복합막의 이온 클러스터 크기와 밀접한 관련이 있으므로 클러스터 크기를 측정하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 클러스터 크기를 정확히 측정하여 이들의 상관관계를 알아내고자 수소 고체상태 핵자기 공명 cryoporometry 방법을 이용하였다. Cryoporometry는 다공성 물질 내에 응결된 유기 액체의 녹는점이 기공의 크기에 따라 달라진다는 깁스-톰슨 식(Gibbs-Thompson equation)과 온도에 따라 액체상과 고체상의 신호 강도(signal intensity)가 현저하게 차이가 난다는 원리를 이용한다. 본 실험에서는 팽윤된 나피온/술폰화 베타-사이클로덱스트린 복합막을 유기 액체인 물에 함침시킨 후, 이온 클러스터 내 삽입된 물의 부피 분율에 직접적으로 비례하는 상대적인 스핀-에코 신호 강도 그래프를 온도에 따라서 얻었다. 이 그래프를 통해서, 상변화가 일어나는 온도 범위인 녹는점 강하(melting point depression)를 측정하였고, 이 값을 깁스-톰슨 식에 대입하여 클러스터의 크기 분포를 확인할 수 있었다. 이를 통해서, 복합막 내에 술폰화 베타-사이클로덱스트린 함량이 증가할수록 이온 클러스터 크기 분포가 넓어짐을 알 수 있었고, 이는 소각 X-선 산란 측정 결과와 잘 일치하였다. 이러한 결과를 통해서, 본 연구에서 제시한 수소 고체상태 핵자기 공명 cryoporometry방법이 연료전지용 복합막의 이온 클러스터 크기 분포를 측정하는 효과적인 방법임을 알 수 있었다. |
