- 이오노머 미세다공성 구조에 영향 미치는 분산용매 파라미터 발견

- 고온, 무가습 조건에서 고분자전해질 수소연료전지 성능 향상

수소연료전지는 수소와 공기 중의 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 만들어내는 장치로, 공해 물질을 배출하지 않아 친환경 전원 공급 장치로 주목받고 있다. 다양한 방식의 수소연료전지 가운데 이온교환이 가능한 고분자 막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지 (PEMFC)는 비교적 무게가 가볍고 시동 시간이 빨라 가정용, 자동차용 전원으로 연구되고 있다.

PEMFC는 작동 온도가 높을수록 전기화학 반응 속도가 빨라지고 불순물에 대한 높은 저항성을 갖기 때문에 고성능을 요구하는 트럭, 지하철, 기차, 비행기, 선박 등에 사용될 수 있다. 그러나 100℃ 이상의 고온에서는 고분자 내 수분이 증발하면서 이온전도도가 감소하는 것을 방지하기 위해 별도의 냉각 시스템이 필요하고, 이로인해 증가되는 무게는 PEMFC의 효율성 저하로 이어진다. 냉각 시스템 없이 PEMFC를 사용하기 위해서는 80~200℃의 고온·무가습 조건에서의 성능 개선이 필요한 상황이다.

한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사팀이 로스알라모스 연구소 (LANL) 김유승 박사팀과의 공동연구를 통해 고분자전해질 연료전지의 성능향상에 핵심역할을 하는 이오노머의 미세다공성 구조를 조절할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.

포스폰산(RPO3H2)을 함유하는 고분자와 설폰산(RSO3H)을 함유하는 고분자를 조합하면 산의 세기가 더 센 설폰산의 수소가 포스폰산으로 전달되고, 양성자화된 포스폰산 이오노머가 형성된다. 이러한 복합 이오노머를 사용하면 물 없이도 이온전도가 가능하여 고온·무가습 조건에서 높은 수소연료전지 성능을 보이게 된다. 여기에 반응기체인 수소와 산소의 접근성을 높인다면 더 높은 성능 향상을 기대할 수 있다.

KIST-LANL 공동연구진은 복합 이오노머가 미세다공성 구조를 가지도록 하여 반응기체의 접근성을 유도하였다. 연구진은 복합 이오노머의 미세다공성 구조는 이를 분산시킨 용매에 달려있으며, 특히 분산 용매의 pKa (산의 세기)와 포스폰산 이오노머 미세다공성 구조 사이에 직접적인 상관관계가 있다는 것을 밝혀냈다. 이후 고온-수소연료전지의 성능평가를 통해 복합 이오노머의 미세다공성 구조가 연료전지의 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다.

KIST 이성수 박사는 “이번 성과는 고온-수소연료전지에서 이오노머 분산 용매의 pKa의 중요성을 발견한 것”이라며 “소형 이동 수단 뿐만 아니라 트럭이나 선박 등과 같은 대형 모빌리티로 수소연료전지의 활용처를 넓혔다”고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 미국 에너지부 Advanced Research Projects Agency-Energy, 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 소재혁신선도사업, KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘ACS Energy Letters’ (IF: 23.101, JCR 상위 3.302%)에 게재되었다.

 * (논문명) Dispersing Agents Impact Performance of Protonated Phosphonic Acid High-Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 정지윤 학생연구원

    - (제 1저자) Los Alamos 연구소 임희은 박사후연구원

    - (교신저자) 한국과학기술연구원 이성수 선임연구원

    - (교신저자) Los Alamos 연구소 김유승 책임연구원

그림 설명

[그림 1] 이오노머 분산 용매에 따른 양성화된 포스폰산 필름의 모습과 전자현미경으로 살펴본 필름의 미세구조 및 원소 분석.

[그림 2] 다양한 분산 용매로 처리된 MEAs(Membrane Electrode Assemblies, 막전극접합체)의 출력 밀도.

다공성도가 높은 유기용매로 성형한 MEA가 최대 출력 밀도를 나타냄.