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  • 기사등록 2022-07-25 13:49:54
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▲ 한국생산기술연구원, KAIST, 서울대학교 공동 연구팀이 격자구조 나노섬유를 활용해 내구성이 뛰어난 수소연료전지용 전해질막(Membrane)을 개발했다. (왼쪽부터) 생기원 윤기로 박사, 서울대 이경아 박사과정생, 고려대 황창규 박사과정생



[기계신문] 한국생산기술연구원(이하 생기원)이 KAIST, 서울대학교와 공동 연구를 통해 격자구조 나노섬유를 활용해 내구성이 뛰어난 수소연료전지용 전해질막(Membrane)을 개발했다고 밝혔다.


수소연료전지는 두 개의 전극과 양 전극 사이에서 수소 이온을 전도시키는 전해질막으로 구성되는데, 양쪽 전극으로 들어오는 연료 기체(수소·산소)를 분리하고 수소 이온만 통과시켜 분리막 역할을 하는 전해질막이 연료전지 시스템의 출력과 내구성을 좌우한다.



▲ 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 모식도 및 고분자 전해질막의 역할



수소연료전지차(FCEV, 이하 수소차)는 빠른 충전으로 긴 거리를 주행할 수 있는 장점이 있는 반면, 수소 충전소 부족 등 인프라 미비, 핵심부품의 높은 단가 및 낮은 내구성이 시장 확대의 걸림돌이 되고 있다.


특히 연료전지 구동 중 발생하는 전해질막의 부피 팽창과 이로 인한 수소연료 기체의 크로스오버(Crossover)가 성능과 내구성을 떨어뜨리는 주요인으로 꼽힌다. 수소 크로스오버는 수소연료 기체가 전해질막을 통과해 반대쪽 전극으로 이동하는 현상이다.


수축·팽창이 반복돼 전해질막이 손상되면 수소연료 기체의 크로스오버가 일어나 출력이 낮아지고, 부반응이 발생해 전해질막의 분해를 더욱 가속화시킨다. 전해질막의 손상은 수소이온 전도도를 저하시키며, 이는 전기화학 반응에 악영향을 미쳐 연료전지의 효율과 출력을 떨어뜨리게 된다.



▲ 격자 구조의 PTFE 나노섬유 및 강화 복합 전해질막 제조 모식도



생기원 섬유연구부문 윤기로 박사 연구팀과 KAIST 신소재공학과 김일두 교수, 서울대 화학생물공학과 성영은 교수 연구팀은 전해질막의 부피 팽창을 해결할 수 있는 방안으로 나노섬유에 주목했다.


이를 위해 정렬 전기방사기술을 활용, 격자구조의 폴리테트라플로오로에틸렌(PTFE) 나노섬유 제조에 성공했다. 이때 PTFE(Polytetrafluoroethylene)는 높은 열안정성과 내화학성, 융점을 가진 고분자 물질을 말한다.



▲ (a) 일반적인 전기방사기와 (b) 정렬 전기방사기의 모습 및 실제 방사된 나노섬유의 미세구조 비교



정렬 전기방사기술은 노즐과 기판 사이에 형성되는 전기장의 분포를 제어해 나노섬유에 방향성을 부여하는 신기술로, 나노섬유의 기공 크기와 방향성 제어가 가능해 1마이크론(㎛) 수준의 기공을 가지는 격자구조의 PTFE 나노섬유를 제조할 수 있었다.


공동 연구팀은 이어 격자구조의 PTFE를 전해질막 보강용 지지체로 사용해 수소이온 전도도와 내구성을 높인 강화 복합 전해질막을 개발했다. 격자구조의 PTFE 나노섬유는 기공 사이로 수소이온의 전달을 돕는 고분자 물질의 침투가 용이하고, 고분자 물질의 팽창 및 수축 시에도 안정적으로 전해질막의 형태를 유지하는 것으로 나타났다.


개발된 강화 복합 전해질막은 수소연료전지 적용 시 기존 전해질막(0.6 W/㎠)보다 우수한 출력 특성(0.85 W/㎠)과 내구성을 보였다. 수소차 구동 환경을 모사해 연료전지 내부의 습도 변화를 반복하는 실험에서 21,000회 반복 후에도 크로스오버가 일어나지 않아 수소차용 연료전지에 바로 적용할 수 있는 내구성을 갖는 것으로 나타났다.

* 미국 에너지부(DOE)의 수소차 전해질막 내구도 충족 기준은 20,000회 이상



▲ 강화 복합 전해질막을 활용한 연료전지 성능 및 내구도



윤기로 박사는 “KAIST 연구팀이 개발한 정렬 전기방사 장비를 사용해 격자구조의 PTFE 나노섬유를 제조하고, 서울대 연구팀에서 이를 적용한 수소연료전지 성능평가를 진행했다”면서 “공동 연구팀이 이룬 성과를 기반으로 향후 관련 기업들에 대한 기술지원, 나아가 수소차 활성화에 기여할 수 있는 연구를 지속하겠다”고 밝혔다.


한편, 한국연구재단 개인기초연구사업을 통해 진행된 이번 연구는 생기원 윤기로 박사 연구팀, KAIST 김일두 교수, 서울대 성영은 교수 연구팀 외에 한양대 최준명 교수, KIST 김진영 박사, 고려대 주병권 교수 연구팀이 참여했으며, 7월 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ 온라인판에 게재된 데 이어 오는 10월 정식출판될 예정이다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

이은아 기자 lena@mtnews.net

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