[월간수소경제 송해영 기자] GIST(광주과학기술원) 지구‧환경공학부 이재영 교수 연구팀이 한국전력공사 전력연구원과의 공동 연구를 통해 흑연나노섬유를 이용해 수소연료전지 공기극의 물 관리 문제를 개선하는데 성공했다. 

연료전지는 애노드(anode)에서 수소산화반응이, 캐소드(cathode)에서 산소환원반응이 일어나는 친환경 고효율 발전 장치다. 연료로 주입되는 수소는 수소 이온과 전자로 분해된다. 분해된 전자는 외부회로를 통해 전기를 생산하고, 수소 이온은 수소이온교환막을 통해 상대극의 공기 속 산소와 반응하여 물을 생산한다.

산소환원반응으로 생성된 물은 수소이온교환막에 적절히 포함되면 수소이온전도도를 향상시키지만, 과다하게 생성되면 전극 내부에 물이 넘치는 현상(water flooding)이 일어난다. 이는 연료의 물질 전달을 방해하여 연료전지의 심각한 성능 저하 요인으로 작용한다.

이에 연구팀은 전기방사법을 이용해 탄소나노섬유를 합성하고, 이를 2500℃의 초고온에서 열처리해 탄소를 흑연화했다. 이어 흑연나노섬유를 백금‧탄소 촉매와 혼합해 고분산 촉매 잉크를 제조하고, 스프레이법을 이용해 전극을 구성했다.

연구팀에서 개발한 흑연나노섬유가 적용된 연료전지 전극은 기존의 백금‧탄소 전극만을 사용한 것과 비교해, 과량의 물을 자발적으로 배출하고 공기 속 산소의 공급을 원활하게 한다. 이는 촉매층 내부의 흑연화된 탄소나노섬유가 갖는 소수성 표면과 높은 전기전도도에 기인한 것이다.

이재영 교수는 “흑연나노섬유를 도입하여 물 관리가 개선된 전극은 탄소 전극의 부식을 상대적으로 억제하여 내구성 향상에도 도움을 줄 것이다”라며 “이번 연구 성과를 통해 백금 귀금속 촉매의 내구성 확보가 가능하게 되었고, 이는 수소전기차 제조의 경제성을 높이는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국전력공사의 지원을 받았으며, 에너지‧연료 분야의 국제학술지인 ‘Journal of Power Sources’ 8월 4일자 온라인판에 게재되었다.