초임계유체 활용한 연료전지 핵심부품 수명 향상
초임계유체 활용한 연료전지 핵심부품 수명 향상
  • 한국과학경제
  • 승인 2020.02.01 04:00
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액체이면서 기체같은 상태의 아이오노머 적용...수소연료전지 내구성 향상
수소 연료전지 기본 구조 및 초임계 조건에서 개발된 전극 소재 모식도수소 연료전지 전극(촉매와 아이오노머로 구성)에 초임계 조건에서 개발된 본 아이오노머를 적용할 경우, 높은 분산성 및 내구성을 나타냄.그림 위 – 수소 연료전지의 도식. 왼쪽부터 유로, 기체 확산 층, 전극 (산화극), 고분자 분리막, 전극 (환원극), 기체 확산 층, 유로로 구성, 산화극에서 수소가스 (H2)가 환원극에서 산소 (또는 공기)가 반응하여 물과 전기가 생성되는 구조.그림 아래 – 전극은 촉매와 아이오노머로 구성. 촉매는 일반적으로 2~3nm 크기의 백금 나노 입자 (구형의 은색 입자)를 50~100 nm 크기의 탄소 입자 (검은색 반원 지지체)에 분산시켜 적용. 촉매의 표면에 아이오노머를 코팅하여 수소 이온의 전도가 잘 이루어지도록 하는데, 기존 아이오노머에 비해 개발한 아이오노머는 촉매 층에 균일하고 얇게 코팅되는 특성을 나타냄. (제공 : 강원대 조용훈)
수소 연료전지 기본 구조 및 초임계 조건에서 개발된 전극 소재 모식도수소 연료전지 전극(촉매와 아이오노머로 구성)에 초임계 조건에서 개발된 본 아이오노머를 적용할 경우, 높은 분산성 및 내구성을 나타냄.그림 위 – 수소 연료전지의 도식. 왼쪽부터 유로, 기체 확산 층, 전극 (산화극), 고분자 분리막, 전극 (환원극), 기체 확산 층, 유로로 구성, 산화극에서 수소가스 (H2)가 환원극에서 산소 (또는 공기)가 반응하여 물과 전기가 생성되는 구조.그림 아래 – 전극은 촉매와 아이오노머로 구성. 촉매는 일반적으로 2~3nm 크기의 백금 나노 입자 (구형의 은색 입자)를 50~100 nm 크기의 탄소 입자 (검은색 반원 지지체)에 분산시켜 적용. 촉매의 표면에 아이오노머를 코팅하여 수소 이온의 전도가 잘 이루어지도록 하는데, 기존 아이오노머에 비해 개발한 아이오노머는 촉매 층에 균일하고 얇게 코팅되는 특성을 나타냄. (제공 : 강원대 조용훈)

 

한국과학경제=박정민 기자】 커피에서 카페인을 제거한 디카페인 커피의 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.

초임계 유체는 물질을 특정한 고온, 고압 조건으로 처리하게 되면 밀도는 액체에 가깝지만, 점도는 기체에 가까운 액체와 기체의 특성이 혼재된 성질을 가지게 된다.

한국연구재단은 조용훈 교수(강원대학교 에너지공학부), 이창현(단국대학교), 성영은 교수(서울대학교 IBS 나노입자연구단) 연구팀이 초임계유체 상태의 아이오노머*를 적용, 수소연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 실마리를 찾아냈다고 밝혔다.

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.

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

연구팀은 촉매층을 감싸 수소이온을 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. 또 분자량(1.5배)과 결정성(1.62배) 도 향상되었다.

실제 연구팀이 만든 아이오노머를 수소연료전지에 적용한 결과 전극 내 분산성이 우수했고 내구성 역시 기존 전극 대비 6배 향상되어 향후 연료전지 시스템 교체주기 확대에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화 대응 기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’에 2월 1일 게재되었다.

■용어설명

* 아이오노머(ionomer) : 이온(ion) 전도성이 있는 고분자(polymer)


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