연료전지 성능과 내구성 한번에 잡았다

기존 연료전지 내 전해질막 개선을 통해 성능과 내구성 한 번에 잡아

DGIST 샨무감 교수(좌), 맥스웰 치포아카 석사과정생(우) ⓒDGIST

DGIST, 연료전지의 성능저하와 내구성 향상을 위한 새로운 합성법 제시

DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 (Sangaraju Shanmugam) 교수팀은 연료 전지에 사용되는 내피온(Nafion) 소재의 ‘고분자 전해질막(PEM)’*이 갖는 성능저하 및 열화* 문제를 해결하는데 성공했다. 새로운 방식으로 개발된 PEM은 연료전지의 출력과 내구성을 모두 개선시킬 것으로 기대돼, 향후 연료전지가 활용되는 다양한 산업분야에 긍정적인 영향을 줄 것으로 예상된다.

*고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane): 수소연료전지의 4대 구성요소 가운데 하나로, 선택적 투과능력을 보이는 분리막(멤브레인)이다. 외부에서 유입된 수소가스가 전극층에서 수소이온과 전자로 분리되는데 이 전자가 도선을 따라 전류를 만든다.
열화(劣化): 절연체가 외부적인 영향이나 내부적인 영향에 따라 화학적 및 물리적 성질이 나빠지는 현상

‘고분자 전해질 연료전지’는 수소가스의 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면서 수소 이온은 전해질 막을 통해서 반대 전극으로 이동하게 되고, 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기에너지를 생산하는 원리로 작동된다. 이 때, 수소이온만을 통과시키는 막이 바로 고분자 전해질막(PEM)이다. 이러한 막을 제작하는데 있어 이온 전도성이 높은 ‘내피온’이 강점을 갖지만 습도가 낮아질수록 성능과 수명이 저하되는 단점을 지녀, 활용에 한계가 있어왔다.

이에, 샨무감 교수팀은 내피온으로 제작된 PEM이 낮은 습도에도 안정적은 성능과 수명을 보장할 수 있는 방법에 대한 연구를 진행했다. 그 결과, 기존 사용되던 내피온에 새로운 물질을 혼합해 기존의 단점뿐만 아니라 성능과 내구성 문제를 함께 해결할 수 있었다.

샨무감 교수팀은 세륨-티타늄 산화 나노입자가 골고루 분포돼 있는 탄소 나노섬유를 내피온과 혼합, 기존 내피온이 갖는 단점을 해결할 수 있는 새로운 PEM을 개발했다. 혼합된 물질은 연료 전지에 사용된 내피온 소재의 PEM이 열화되는 것을 막아주고, 낮은 습도 환경에서도 정상적인 작동을 가능하게 했다.

여기에 기존 대비 열화 수준을 절반으로 낮춰, 섭씨 80도 상황에서 200시간 사용이 가능하던 기존 내피온의 내구성을 2배 가량 향상시켰다.

(좌) 열화를 완화할 수 있는 복합막의 제조 과정의 모식도 및 복합재료의 SEM 이미지
(우) 저습 조건에서의 400 시간 이상의 내구성 조건에도 안정된 OCV 결과를 보여주는 그래프 ⓒDGIST

DGIST 상가라쥬 샨무감 교수는 “기존 내피온 소재의 PEM을 개선함으로써 향후 석유를 대체할 연료전지를 만드는데 기여할 수 있을 것이란 생각에 연구를 시작했다”며 “비용 절감 문제와 내구성 문제 해결과 관련된 추가 연구 등 앞으로 추가적인 연구를 진행해 본격적인 상용화를 이뤄낼 수 있도록 노력할 것”이라고 했다.

또한 기술 실용화에 대해선 “해당 기술은 아직 상용화 초기 단계에 있으며 대체할 기존 기술과 동등한 성능 발휘여부 및 비용 절감, 기타 내구성 관련 매개 변수를 평가를 위해 더 많은 연구개발이 수반돼야 한다”라고 덧붙이며, “기존 대비 습도가 낮은 환경에서 우수한 연료 전지 성능을 관찰할 수 있었고, 이와 더불어 더욱 더 향상된 내구성을 확인할 수 있었다는데 의미가 있습니다. 기존 대비 개선된 사항들은 향후 수소연료 전지 상용화에 필수적인 내구성 확보에 더욱더 기여할 것으로 보인다”라고 연구 의의를 전했다.

한편, 이번 연구결과는 관련 분야에서의 세계적인 학술지인 ‘American Chemical Society’에 온라인 게재됐다.

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