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KIST 한국과학기술연구원 Korea Institute of Science and Technology

연구소 소개

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제목 홍합에서 수소연료전지 내구성 높이는 방법 찾았다
연구팀 연료전지연구센터 김진영 박사팀 조회수 1361
파일첨부
홍합에 존재하는 도파민의 뛰어난 표면 접착 특성을 모사한 기술 활용

극한 테스트 검증전해질막 개선으로 수명·성능 향상된 수소연료전지 구현 


 세계적으로 환경 규제가 엄격해지면서 미래 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다특히 최근에는 ‘궁극의 친환경차 불리는 수소전기차가 주목받으면서 동력원인 수소연료전지의 성능 향상에 연구개발이 활발히 이뤄지고 있다최근 국내 연구진이 홍합 모사기술을 통해 수소연료전지의 성능과 안정성을 높일  있는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권연료전지연구센터 김진영 박사팀은 바다생물인홍합에 존재하는 도파민(dopamine) 뛰어난 표면 접착 특성을 활용하여 수소이온전도도와 전해질막의 기계적 내구성을 동시에 개선한 강화복합 전해질막 수소연료전지를 구현했다고 밝혔다

수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 대기  산소와 수소 기체를 연료로 활용해 전기를생산하고 부산물로 물만 남게 되는 친환경 에너지 동력원이다이러한 수소연료전지는 수소이온을 전달하고  전극을 분리하는 전해질막의 내구성이 연료전지의 수명을 결정하는 핵심적인 요소로 꼽힌다

KIST 연구팀은 홍합의 접착 원리에서 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다이어 폴리도파민(polydopamine)* 중합반응을 통해 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 지지체에 코팅하고여기에 수소이온 전도성을 갖는 과불소계술폰산(PFSA) 고분자가 스며든 형태(함침(含浸), impregnation) 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다
*폴리도파민 : 홍합의 접착 단백질 성분인 도파민 단량체의 고분자 형태

강화복합 전해질막은 얇은 막으로 인하여 수소이온 전도도와 기계적 내구성이 향상된 형태의 전해질막이다하지만 극소수성을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 과불소계술폰산(PFSA) 중합체(이오노머*) 조밀하게 스며들도록 하는 것이 어렵고막의 두께가얇아 전해질 고분자가 분해되어 기체가 막을 투과하는 현상이 쉽게 나타나는 문제가 있었다
*이오노머 : 체인 요소 간에는 공유 결합을체인 간에는 이온 결합을 가진 중합체.

KIST 연구진은 강화복합 고분자 전해질막에 표면 처리한 폴리도파민에 극소수성의 PTFE 표면을 친수성으로 개질시켜 친수성 이오노머를 쉽게 스며들게 하고고분자의 경계면에서발생하던 균열이나 기공도 크게 줄였다또한 전해질 막의 화학적 열화를 막아주는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 지지체 표면에 결착되어 연료전지의 내구성을 높여 안정적 구동이가능하게 했다.   

KIST 연구진은 개발한 강화복합 전해질막 기반 연료전지를 극한의 조건에서 가속 수명시험을 수행한 결과기존 전해질막을 사용한 연료전지에 비해 5,000 이상의 습도 변화(상대습도 100% 0% 반복후에도 안정적인 성능을 유지하는 수명 특성을 확인했다또한 가속 수명시험  기존 전해질막은 두께가 70%가량 줄어들고 표면에 많은 손상이 발생했지만폴리도파민 전해질막은 두께가 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적이라는 사실을 입증했다

KIST 연료전지연구센터 김진영 박사는 “이번 연구결과는 자연계 물질에서 아이디어를 얻어  현상을 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다.”라고 말하며, “향후 수소연료전지의 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용분야 발전에 적용되길 기대한다 밝혔다.

 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행되었으며연구 결과는 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF:13.325, JCR 상위분야 3.767 %) 최신호에 게재되었다
 * (논문명) Mussel-Inspired Polydopamine-Treated Reinforced Composite Membranes with Self-Supported CeOx Radical Scavengers for Highly Stable PEM Fuel Cells 
      - (1저자한국과학기술연구원 윤기로 박사(Post Doc.) 
                       한국과학기술연구원 이경아 연구원(석사과정)
      - (교신저자한국과학기술연구원 김진영 책임연구원



<그림설명>

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그림 1. 본 연구팀에서 개발한 강화복합 전해질막 개발 모식도



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그림 2. KIST 연구진이 개발한 강화복합 전해질막의 (a) 표면, (b) 단면 SEM 이미지,
(c) 단면 TEM 및 Ce 원소 분포도

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그림 3. (a) 연료전지 사진 및 (b) 가속 수명특성 평가 결과


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그림 4. 가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교


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그림 5. 순수막과 KIST 개발막의 연료전지 내 열화반응 메커니즘 비교 도식

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