[과학을 품다] 수소연료전지 성능 높였다
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[과학을 품다] 수소연료전지 성능 높였다
  • 정종오 기자
  • 승인 2020.02.01 04:00
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국내 연구팀, 초임계유체 이용 관련 기술개발
수소 연료전지 기본 구조와 초임계 조건에서 개발된 전극 소재 모식도. [사진=한국연구재단]
수소 연료전지 기본 구조와 초임계 조건에서 개발된 전극 소재 모식도. [사진=한국연구재단]

의약품, 화장품이나 향료에서 원하지 않는 물질을 고순도로 추출하는 데 주로 사용되던 초임계유체. 이를 이용해 수소연료전지 성능을 높이는 연구 결과가 나왔다. 커피에서 카페인을 제거한 디카페인 커피가 있다. 비밀은 바로 액체인지 기체인지 모를 초임계유체 상태의 이산화탄소가 원두에서 카페인만 녹여내는 데 있다. 초임계유체는 물질을 특정한 고온, 고압 조건으로 처리하면 밀도는 액체에 가까운데 점도는 기체에 가까운 액체와 기체 특성이 혼재된 성질을 가진다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 조용훈 교수(강원대 에너지공학부), 이창현(단국대), 성영은 교수(서울대 IBS 나노입자연구단) 연구팀이 초임계유체 상태의 아이오노머를 적용, 수소연료전지 수명을 향상시킬 수 있는 실마리를 찾아냈다고 1일 발표했다. 아이오노머(ionomer)는 이온(ion) 전도성이 있는 고분자(polymer)를 말한다.

수소차의 동력원, 수소연료전지는 백금촉매의 도움으로 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 만든다. 이 과정에서 아이오노머는 수소이온을 촉매층 내부로 전달하는 한편 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할을 수행한다. 그동안 연료전지 성능과 내구성 향상을 위해 촉매를 개선하려는 연구가 주를 이뤘는데 연구팀은 아이오노머에 주목했다.

연구팀은 촉매층을 감싸 수소이온을 촉매층 내부로 더 효과적으로 전달할 수 있는 아이오노머 소재를 개발했다. 기체 같은 점도로 확산이 빠르고 액체 같은 밀도로 용해력이 높은 초임계유체 상태의 아이오노머를 촉매층에 뿌려 수소이온이 촉매층 내부로 최대 1.83배 빠르게 전도되도록 했다. 기존 아이오노머는 고분자 사슬 간 얽힘 때문에 수소이온 전도가 불균일하고 공정이 복잡해 단가가 높았다.

연구팀은 상용 불소계 아이오노머를 고온․고압으로 처리해 액체와 기체 특성이 혼재된 상태로 만들어 평균 입자 크기를 25분의 1로 축소시켰다. 이를 통해 고분자 사슬 간 간격을 좁혀 얽힘을 막고 수소이온의 전도성을 높일 수 있었다. 또한 분자량(1.5배)과 결정성(1.62배)도 향상됐다.

실제 연구팀이 만든 아이오노머를 수소연료전지에 적용한 결과 전극 내 분산성이 우수했고 내구성 역시 기존 전극 대비 6배 높아져 앞으로 연료전지 시스템 교체주기 확대에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다. 연구성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’2월 1일 자(논문명:Enhancement of service life of polymer electrolyte fuel cells through application of nanodispersed ionomer)에 실렸다.

정종오 기자  science@greened.kr

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