초임계유체 활용한 연료전지 핵심부품 수명 향상

액체이면서 기체같은 상태의 아이오노머 적용...수소연료전지 내구성 향상

□ 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.

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

□ 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.

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

□ 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 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 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.

<언론에 보도된 기사 링크>

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