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액체·기체 성질 가진 아이오노머, 수소연료전지 수명 향상

국내 연구진, 디카페인 커피 만드는 초임계유체 공정서 힌트
고분자 아이오노머 주목…저단가·대량생산 가능



[월간수소경제 성재경 기자] 커피에서 카페인을 제거한 디카페인 커피의 비밀은 바로 초임계유체 상태의 이산화탄소가 원두에서 카페인만 녹여내는 데 있다.

조용훈 강원대 에너지공학부 교수와 이창현 단국대 교수, 성영은 서울대 교수 연구팀이 바로 이 초임계유체 공정에서 힌트를 얻어 수소연료전지의 성능을 향상시키는 실마리를 발견해 주목된다. 

연구팀은 이온 전도성이 있는 고분자 ‘아이오노머(Ionomer)’를 적용해 수소연료전지의 내구성을 개선하고 성능을 향상시켰다고 1일 밝혔다.

수소전기차의 동력원인 연료전지는 백금 촉매를 활용, 수소와 산소의 화박반응으로 전기를 생산한다. 그러나 백금 촉매는 생산 효율과 내구성에 한계가 있다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 수소연료전지 성능에 영향을 줄 수 있는 요인 중 하나인 아이오노머에 주목했다. 수소연료전지 성능과 관련된 요인으로는 촉매, 전해질, 아이오노머 3가지가 꼽힌다. 수소연료전지 전극을 이루는 물질이 바로 촉매와 아이오노머다.

기존 아이오노머의 경우 수소이온의 전도가 불균일하고 공정이 복잡해 단가가 높다. 연구팀은 이 아이오노머를 고온·고압으로 처리해 액체와 기체의 특성이 혼재된 초임계유체로 만들어 이러한 단점을 극복했다.

이를 위해 연구팀은 상온에서 240도까지 온도를 높이고 기압을 높이는 공정을 거쳐 기존 아이오노머보다 25분의 1로 크기가 작으면서도, 1.5배 높은 분자량, 1.62배 높은 결정성을 갖는 아이오노머를 만드는 데 성공했다.

실제 연구팀이 만든 아이오노머를 수소연료전지에 적용한 결과 전극 내 분산성이 우수했고 내구성 역시 기존 전극 대비 6배 향상됐다. 기체 같은 점도로 확산이 빠르고 액체 같은 밀도로 용해력이 높아 수소 이온을 촉매 내부로 빠르게 전달했다.

연구팀은 “기존 제작 공정보다 단순한 초임계유체 공정으로 아이오노머의 생산단가를 크게 낮출 수 있다”며 “기존 수소연료전지 자동차와 연료전지 발전설비에 적용이 가능해 관련 인프라 구축에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 실렸다.



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