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음이온 교환막 수전해(AEMWE)의 수소 생산 효율과 내구성을 향상시키려면 고성능 음이온 교환막(AEM)과 촉매의 개발뿐만 아니라 막 전극 접합체(MEA)의 계면 저항 감소도 필수적입니다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 AEM 구조 내의 이온 전도성기와 상호작용할 수 있는 메톡시에틸 작용기를 AEM 고분자 매트릭스에 도입하여 MEA의 막과 촉매층 사이의 계면 접착력을 향상시켰습니다. 개발된 AEM은 도입된 작용기로 인해 분자 간 상호작용이 향상되었으며, 이는 분광 분석 및 시뮬레이션을 통해 확인되었습니다. 또한, AEM에 메톡시에틸기를 도입함으로써 MEA 제작 후 AEM-이오노머 상호작용이 유도되었으며, 특히 폴리아릴피페리디늄 및 폴리아릴에테르 계열 고분자의 경우 그 효과가 더욱 두드러졌습니다. 따라서 막-촉매 계면 접착력이 강화되었습니다. 이러한 결과는 알칼리 처리 및 초음파 처리를 포함하는 촉매 박리 시험을 통해 고분자 성분의 표면 에너지로부터 추정된 접착력에 의해 더욱 확인되었습니다. 메톡시에틸기를 도입함으로써 7.09 A cm−2 및 2.0 V에서 AEMWE 셀 성능이 25% 향상되었으며, AEMWE 내구성도 향상되었습니다. 본 연구의 주요 결과에 따르면, 막-촉매 접착력과 MEA 내 촉매층 두께는 막 내 이오노머와 상호작용할 수 있는 작용기를 도입함으로써 효과적으로 제어할 수 있으며, 궁극적으로 AEMWE의 수소 생산 효율 및 내구성 향상에 기여합니다.

본 발명은 플라즈마의 전력, 공정 시간, 유입되는 가스의 유량 등의 조건을 선택적으로 조절하여 식각 깊이 및 식각 정도를 제어한 플라즈마 식각 공정을 통해 얇게 제작된 거친 표면의 고분자 전해질막을 연속적인 열처리 공정을 통하여 표면의 평탄화를 유도한 기계적 안정성이 유지되는 초박막 전해질막을 제작하였음. 이렇게 제작된 초박막 두께의 전해질막은 막 저항 감소를 통한 성능 향상과 동시에 연료전지 제작 및 구동 시, 전해질막의 기계적 강성을 확보 가능한 효과를 기대할 수 있음. 제작된 초박막 전해질막을 연료전지에 적용 시, 오믹 저항 감소 및 이온전도도 향상으로 인한 높은 성능을 확보할 수 있었음. 이러한 결과를 통해, 플라즈마 식각 및 열처리 연속 공정을 이용하여 특정 막의 물리적/화학적 특성을 유지 또는 향상시킴과 동시에 초박막 전해질막 제작이 가능한 기술로서의 응용이 가능함을 시사함. 또한 다양한 작동 환경에서 우수한 성능 향상을 유도할 수 있고, 선택적으로 원하는 용도에 맞추어 전해질막의 두께를 미세하게 조절하고, 표면 거칠기를 조절할 수 있기 때문에 확장성이 높은 기술이라고 판단됨.