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연료전지 핵심부품, 초임계유치 활용해 수명 향상

액체이면서 기체같은 상태의 아이오노머 적용

[산업일보]
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.

연료전지 핵심부품, 초임계유치 활용해 수명 향상
수소 연료전지 기본 구조 및 초임계 조건에서 개발된 전극 소재 모식도


그간에는 연료전지의 성능과 내구성 향상을 위해 촉매를 개선하려는 연구가 주를 이뤘으나 연구팀은 아이오노머에 주목했다.

커피에서 카페인을 제거한 디카페인 커피. 비밀은 바로 액체인지 기체인지 모를 초임계유체 상태의 이산화탄소가 원두에서 카페인만 녹여내는 데 있다. 의약품, 화장품이나 향료에서 원하지 않는 물질을 고순도로 추출하는 데 주로 사용되던 초임계유체를 수소연료전지의 성능을 높이는데 이용한 연구결과가 소개됐다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 조용훈 교수(강원대학교 에너지공학부), 이창현(단국대학교), 성영은 교수(서울대학교 IBS 나노입자연구단) 연구팀이 초임계유체 상태의 아이오노머를 적용, 수소연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 실마리를 찾아냈다고 밝혔다.

연구팀은 촉매층을 감싸 수소 이온을 촉매층 내부로 보다 효과적으로 전달할 수 있는 아이오노머 소재를 개발했다. 기체 같은 점도로 확산이 빠르고 액체 같은 밀도로 용해력이 높은 초임계유체 상태의 아이오노머를 촉매층에 도포, 수소 이온이 촉매층 내부로 최대 1.83배 빠르게 전도되도록 했다.

기존 아이오노머는 고분자 사슬간 얽힘 때문에 수소이온의 전도가 불균일하고 공정이 복잡해 단가가 높았다.

연구팀은 상용 불소계 아이오노머를 고온‧고압으로 처리, 액체와 기체의 특성이 혼재된 상태로 만들어 평균입자 크기를 25분의 1로 축소시켰다. 이를 통해 고분자 사슬간 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 향상돼 향후 연료전지 시스템 교체주기 확대에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 “간단한 초임계 유체 공정을 도입해 특성이 향상된 아이오노머를 개발 했다. 이는 다가오는 수소 경제 사회에서 수소 연료전지의 핵심부품에 적용할 수 있다”며, “본 아이오노머를 연료전지에 적용한다면 높은 성능뿐만 아니라, 내구성 증가로 인해 연료전지 시스템 교체주기를 대폭 늘릴 수 있을 것”이라고 말했다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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