초임계유체 활용한 연료전지 핵심 부품 수명 향상
초임계유체 활용한 연료전지 핵심 부품 수명 향상
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.03 23:55
  • 조회수 901
  • 댓글 0
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요약

 

초임계유체를 활용해 연료전지의 핵심부품의 수명을 향상시킨 연구가 나왔습니다. 연구팀은 촉매층을 감싸 수소 이온을 촉매층 내부로 보다 효과적으로 전달할 수 있는 아이오노머 소재를 개발했습니다. 초임계유체 상태의 아이오노머를 촉매층에 도포, 수소 이온이 촉매층 내부로 최대 1.83배 빠르게 전도되도록 했습니다.

강원대학교 에너지공학부 조용훈 교수, 단국대학교 이창현 교수, 서울대학교 IBS 나노입자연구단 성영은 교수 연구팀이 초임계유체 상태의 아이오노머를 적용해 수소연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 실마리를 찾아냈습니다. 해당 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다.

  • 아이오노머(ionomer)
아이오노머(ionomer). 출처: Wikimedia Commons
아이오노머(ionomer). 출처: Wikimedia Commons

이온(ion) 전도성이 있는 고분자(polymer)

초임계유체 상태와 아이오노머를 이용

 

커피에서 카페인을 제거한 디카페인은 어떤 원리로 만들어질까요? 비밀은 바로 액체인지 기체인지 모를 초임계유체 상태의 이산화탄소가 원두에서 카페인만 녹여내는 데 있습니다. 의약품, 화장품이나 향료에서 원하지 않는 물질을 고순도로 추출하는 데 주로 사용되던 초임계유체를 수소연료전지의 성능을 높이는데 이용한 연구 결과가 소개됐습니다. 참고로 초임계 유체는 물질을 특정한 고온, 고압 조건으로 처리했을 때, 밀도는 액체에 가깝지만 점도는 기체에 가까운 액체와 기체의 특성이 혼재된 성질을 가지게 된 상태를 말합니다. 

수소연료전지에서 아이오노머는 수소이온을 촉매층 내부로 전달하고, 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할을 수행한다.출처: AdobeStock
수소연료전지에서 아이오노머는 수소 이온을 촉매층 내부로 전달하고, 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할을 수행한다. 출처: AdobeStock

수소차의 동력원, 수소연료전지는 백금촉매의 도움으로 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 만드는데요. 이 과정에서 아이오노머는 수소이온을 촉매층 내부로 전달하는 한편, 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할을 수행합니다. 그동안 연료전지의 성능과 내구성 향상을 위해 촉매를 개선하려는 연구가 주를 이뤘으나 연구팀은 아이오노머에 주목했습니다. 

 

초임계유체 상태의 아이오노머 도포

 

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

수소 연료전지 기본 구조 및 초임계 조건에서 개발된 전극 소재 모식도. 출처:한국연구재단
수소 연료전지 기본 구조 및 초임계 조건에서 개발된 전극 소재 모식도. 출처: 한국연구재단

기존 아이오노머는 고분자 사슬간 얽힘 때문에 수소이온의 전도가 불균일하고 공정이 복잡해 단가가 높았는데요. 기존 소재의 제작 공정보다 단순한 초임계 유체 공정을 사용하기 때문에, 아이오노머의 생산단가를 대폭 낮출 수 있었습니다.

 

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

 

실제 연구팀이 만든 아이오노머를 수소연료전지에 적용한 결과 전극 내 분산성이 우수했고 내구성 역시 기존 전극 대비 6배 향상돼 향후 연료전지 시스템 교체 주기 확대에 실마리가 될 수 있을 것으로 기대됩니다. 

 


##참고자료##

 

  • 조용훈 et al., "Enhancement of service life of polymer electrolyte fuel cells through application of nanodispersed ionomer", Science Advances(2020) 


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