국내 연구진, 초임계유체 활용해 수소연료전지 기능 향상
국내 연구진, 초임계유체 활용해 수소연료전지 기능 향상
  • 이준성
  • 승인 2020.02.03 09:17
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강원대‧단국대‧서울대 연구팀, 액체‧기체 성질 갖는 소재 개발
“성능 개선, 내구성 증가해 연료전지 교체주기 늘릴 것”
이미지= 한국연구재단
이미지= 한국연구재단

국내 연구진이 초임계유체 공정을 이용해 수소연료전지의 기능을 향상시키는 기술을 개발했다.

초임계유체는 밀도는 액체와 가깝지만 점도는 기체에 가까운 물질의 상태를 말한다. 디카페인 커피는 초임계유체 상태의 이산화탄소를 활용하는 원리를 적용해 커피에서 카페인을 제거한 것으로 의약품, 화장품 제조 등에서 원하지 않는 물질을 고순도로 추출하는 데 사용되기도 한다.

지난 1일 한국연구재단은 “강원대 조용훈 교수, 단국대 이창현 교수, 서울대 성영은 교수 연구팀이 이온 전도성이 있는 고분자 ‘아이오노머’를 적용해 수소연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 실마리를 찾아냈다”고 밝혔다.

수소차의 동력원이 되는 ‘수소연료전지’는 백금 촉매의 이용해 수소와 산소의 전기화학 반응을 일으켜 전기를 생산한다. 수소연료전지 성능에 영향을 미치는 요인으로는 촉매, 전해질, 아이오노머 3가지가 있다.

‘아이오노머’는 이온 전도성이 있는 고분자로 수소연료전지의 전극 구성 물질은 촉매와 아이오노머다. 아이오노머는 수소 이온을 촉매층 내부로 전달해 반응을 활성화하는 역할을 g고 촉매층은 서로를 불여주는 접착체 역할을 한다.

현재 사용되는 백금 촉매는 생산 효율, 내구성 등에 한계가 있어 그 동안의 연구는 연료전지의 성능을 높이기 위한 연구는 촉매를 개선하는 데만 초점을 두고 진행됐다. 하지만 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘아이오노머’에 초점을 맞춰 초임계유체 현상을 아이오노머에 적용했다.

기존 아이오노머는 수소이온의 전도가 균일하지 못하고 공정이 복잡해 단가가 높은데 반해 연구팀은 아이오노머를 고온·고압으로 처리해 액체와 기체의 특성이 혼재된 상태로 만들어 단점을 극복한 것이다.

이를 위해 연구팀은 온도를 240도까지 높이는 등 고온‧고압의 공정을 통해 기존 아이오노머에 비해 1/25 작은 크기의 입자를 개발했다. 입자가 작아진 물질이 고분자 사슬 간 간격을 좁혀서 서로 얽히는 것을 막으면서 수소 이온의 전도성이 크게 향상됐다.

연구팀은 “초임계유체 상태의 아이오노머는 기존 아아이오노머보다 최대 1.83배 빠르게 촉매로 전도됐다”고 밝혔다. 기체에 가까워 분자량이 1.5배 높고 액체와 같은 수준의 밀도로 1.62배 높은 결정성을 갖는 것이다.

연구팀은 실제 개발한 초임계유체 상태의 아이오노머를 촉매층에 도포해 수소연료전지에 적용한 결과 전극 내 분산성이 우수했고 내구성 또한 기존에 비해 6배 향상됐다고 밝혔다. 기체 같은 점도로 분산성이 개선돼 확산이 빠르고 액체 같은 밀도로 용해력이 높아 수소 이온을 촉매 내부로 빠르게 전달했다.

연구팀은 “초임계 유체 공정을 도입해 향상된 아이오노머를 개발했다”며 “연료전지에 이번에 개발한 아이오노머를 적용해 성능이 개선되고 내구성 증가해 연료전지의 교체 주기를 대폭 늘릴 수 있을 것”이라고 설명했다.

연구팀은 또 “이 기술을 통해 균일한 성질을 가진 아이오노머를 대량 생산할 수 있어 아이오노머의 생산 비용을 크게 낮출 수 있을 것”이라며 “이 기술을 현재 상용화된 수소 연료전지 자동차, 연료전지 발전설비에 적용할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 함께 추진하는 기후변화 대응 기술개발사업의 일환으로 수행됐으며 지난 1일, 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’에 게재됐다.


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