수소는 그 양이 많고, 저장이 가능하며 직접수송이 가능하고, 연료전지를 통해 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 직접 전기에너지를 얻을 수 있기 때문에 현재 활발히 연구되고 있다.
수소를 생산하는 여러 가지 방식 중 전 세계 수소 생산량의 절반 이상은 천연가스를 이용한 열 개질법인데, 이 방법에 의해 전 세계 수소 생산량의 절반가량이 생산된다. 그러나 수소와 동시에 이산화탄소가 발생하기 때문에 궁극적인 수소 생산 방법은 될 수 없다. 화석 연료를 사용하지 않는 방식으로는 열화학 분해법, 수전해법, 광촉매를 이용한 방법 등이 있다. 하지만 열화학 분해법과 광촉매를 이용한 방법은 복잡한 공정과정과 낮은 효율을 나타낸다.
PEM 수전해 방식은 에너지 효율이 높고, 장치의 소형화가 가능하며 매우 높은 순도의 수소를 얻을 수 있다. 또한 높은 전류 밀도에서의 운전이 가능하며, 적은 저항손실, 낮은 가스 투과도에 의해 고압운전이 가능해 생산된 수소의 압축과 운송에서도 뛰어난 효율을 보인다. 따라서 여러 가지 수소제조 기술 중 가장 활발히 연구가 진행되고 있다. 현재 PEM 수전해 셀에 상용화되어 있는 막은 dupont사의 과불소계 막인 Nafion 막이다. 그러나 Nafion은 고가라는 문제점과, 80 ℃ 이상의 온도에서 이온전도도 감소, 기계적 강도의 열화 등의 단점을 가진다.
본 연구에서는 PEEK(polyetheretherketone) 엔지니어링 플라스틱 고분자를 모체로 하고 설폰기를 도입시켜 탄화수소계 고분자 전해질 막을 제조하여 Nafion 막의 단점을 보완하고자 하였다. 막의 산화내구성을 증가시키기 위해 함침법으로 CsxH3-xPMo12O40을 로딩시킨 Ceria를 첨가하였고, 이온전도도 및 열적 안정성을 높이기 위해 heteropoly acid(HPA)인 phosphomolybdic acid(MoPA)를 첨가하여고 담금법으로 H를 Cs으로 치환해 주었다. 막의 기계적 강도를 높이기 위해 silane bridge를 이용해 가교하여 유-무기 복합막을 제조해 수전해에 응용하였다. 또한 막의 팽윤정도와 함수율을 줄이기 위해 기존에 하던 High sulfonated PEEK(DS 73 %)에서 술폰화 정도를 낮춘 Medium sulfonated PEEK(DS 65 %) 막의 성능도 측정하였다.
Ceria에 함량에 따른 막의 전기화학적 특성은 HSPEEK와 MSPEEK막 모두 Ceria 4 %의 막이 각각 0.1652 S/cm, 0.1273 S/cm으로 가장 좋았으며, Ceria의 첨가 비율이 증가할수록 점점 증가하였다.
인장강도 등 기계적 특성은 HSPEEK막의 경우 Ceria 4 %의 막이 73.55 MPa, 연신율 21.0 %로 가장 좋았고, MSPEEK막의 경우 Ceria 0.5 %의 막이 64.88 MPa, 연신율 26.0 %로 가장 좋았다. HPA의 침출은 HSPEEK와 MSPEEK막 모두 Ceria의 함량이 증가할수록 증가하였고, 두 경우 모두 Ceria 0.5 %막이 각각 4.37 %, 0.66 %으로 가장 낮은 침출율을 보였다.
막의 Fenton test를 통한 산화 안정성을 측정한 결과 Ceria의 첨가에 의하여 막의 산화내구성이 향상되었고, HSPEEK와 MSPEEK막에서 Ceria 4 %의 막이 각각 1200 시간, 1128 시간으로 가장 좋은 산화 내구성을 보였다.
막의 팽윤정도와 함수율은 HSPEEK와 MSPEEK막 모두 Ceria의 함량이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 술폰화 정도가 낮은 MSPEEK막이 HSPEEK막보다 낮은 팽윤정도와 함수율을 나타내었다.
Ceria의 함량을 변화시켜 제조한 막의 물리화학적, 전기화학적, 산화 내구성, 기계적 특성을 측정한 결과, HSPEEK와 MSPEEK막 모두 1 %의 Ceria를 첨가한 막이 가장 수전해에 적합한 막으로 판단된다.

Polymer electrolyte membrane electrolysis(PEME) system has a high energy efficiency and most promising energy source as eco-friendly energy production. The development of cost-effective and functional membranes for the PEME is an important stepping-stone towards the commercialization and market of this technology.
Commercialized polymer electrolyte water electrolysis are based on Nafion membrane electrolytes. However, Nafion, solid polymer electrolytes of perfluorosulfonic acid membrane, have several disadvantage including its very high cost, and limited operational temperature above 80 ℃, because of the decreasing proton conductivity.
Ceria (CeO2) was used to scavenge free radicals which attack membrane in the polymer electrolyte water electrolysis (PEMWE) circumstance and to increase the duration of the membrane. In order to improve mechanical, electrochemical, and electrocatalytic characteristics, engineering plastic of the sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) as polymer matrix was prepared in the sulfonation reaction of polyether ether ketone (PEEK) loading the highly dispersed CeO2 and Cs-substituted molybdophosphoric acid (Cs-MoPA) with cross-linking agent (tetrapropyl orthosilicate). Consequently, the composite membrane CL-MSPEEK/Silane 4 wt%/Cs-MoPA/Ceria 1% showed the improved characteristics such as 0.0968 S/cm of proton conductivity at 80 ℃, 56.47 % of water content, 44.00 % of swelling ratio and 61.43 MPa of tensile strength.
Most of all, CL-MSPEEK/Silane 4 wt%/Cs-MoPA/ Ceria 1%(imm.) membrane is promising as an alternative membrane in polymer electrolyte membrane electrolysis system.