원두에서 카페인을 뽑아내거나 의약품이나 화장품, 향료에서 물질을 추출하는 데 쓰이던 초임계유체를 활용해 수소연료전지의 성능을 높일 수 있는 소재가 개발됐다.
조용훈 강원대 에너지공학부 교수와 이창현 단국대 교수, 성영은 서울대 교수 공동연구팀은 초임계유체상태의 ‘아이오노머’를 적용해 수소연료전지 성능을 높일 수 있다는 연구결과를 이달 1일 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표했다고 밝혔다.
아이오노머는 이온 전도성이 있는 고분자로 수소연료전지의 구성요소 중 하나다. 수소연료전지는 귀금속 촉매를 활용해 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 만든다. 이때 아이오노머는 수소이온을 전극에 붙은 귀금속 촉매층 내부로 전달하면서 두 전극의 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할을 한다. 기존 연료전지 성능과 내구성을 높이기 위한 연구는 촉매에 주목해 왔으나 연구팀은 촉매에 이온을 전달하는 아이오노머에 주목했다.
연구팀은 초임계유체 현상을 아이오노머에 적용하기로 했다. 물질을 특정 고온 및 고압 조건으로 처리하면 밀도는 액체에 가까우나 점도는 기체에 가까운 초임계유체 상태가 된다. 연구팀은 상용화된 불소계 아이오노머를 고온 및 고압으로 처리해 초임계 상태로 만들어 촉매층에 뿌렸다. 그 결과 아이오노머 입자의 크기를 25분의 1로 줄였다. 이를 통해 고분자 사슬 간 간격을 좁혀서 서로 얽히는 것을 막으면서 수소이온의 전도성을 높였다.
이 소재는 점도가 기체에 가깝다 보니 이온의 확산이 빠르면서도 밀도는 액체와 같아 이온 용해력이 컸다. 초임계유체 공정을 거치지 않은 기존 소재보다도 수소이온을 촉매층 내부로 1.83배 빠르게 전달하는 것으로 나타났다. 소재의 분자량은 1.5배, 결정성은 1.62배 늘어나 내구성 또한 기존 전극과 비교해 6배 늘어났다.
연구팀은 “간단한 초임계유체 공정을 도입해 특성이 향상된 전도성 고분자를 개발했다”며 “연료전지에 이를 적용하면 높은 성능뿐 아니라 내구성도 늘어나 연료전지 교체주기를 대폭 늘릴 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
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