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수소연료전지 전해질막의 밀착력 높이는 레고 경계면 구조 개발
탄화수소계 전해질막 경계면과 전극의 결합에 레고 블록 구조 도입하여 수소연료전지 생산가 절감에 도움될 것으로 예상해
[410호] 2015년 09월 07일 (월) 이승호 기자 konglsh@kaist.ac.kr

수소연료전지는 소음이 없고 온실가스 배출이 적어 친환경 미래 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 수소연료전지에 사용되는 전해질막의 비용 때문에 상용화에 어려움이 있었다. 생명화학공학과 김희탁 교수와 박정기 교수 공동 연구팀이 레고 블록의 결합 원리를 이용해 전해질막 계면의 밀착력이 강화된 수소연료전지를 개발했다. 수소연료전지의 상용화 문제 해결에 도움이 될 것으로 기대되는 이번 연구는 지난 5월 20일 국제 학술지 <어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)>에 온라인 표지논문으로 게재되었다.

수소연료전지에 사용되는 전해질막
수소연료전지는 산소와 수소를 이용하여 전력을 생산한다. 수소연료전지의 환원전극에서는 공기 중에서 얻을 수 있는 산소가 전극의 수소이온 및 전자와 반응하여 H2O가 발생한다. 동시에, 산화전극에서는 수소가 수소이온과 전자로 분해된다. 이때 산화전극에서 발생한 수소이온은 산소의 환원 반응에 이용되고, 전자는 회로를 따라 흘러 전기에너지를 생산한다. 즉, 산화전극에서 발생한 수소이온은 전지 내에서 바로 환원전극으로 이동해야 하지만, 전자는 환원전극으로 곧바로 이동해선 안 된다. 이를 위해 사용하는 것이 수소이온은 통과할 수 있지만, 전자는 통과하지 못하는 구조의 전해질막이다.

탄화수소계 전해질막은 밀착력 약해
수소연료전지에 사용되는 전해질막은 불소계와 탄화수소계 두 종류가 있다. 불소계 전해질막은 성능이 뛰어나고 전극과의 밀착력도 좋지만, 생산 비용이 크다. 탄화수소계 전해질막은 불소계보다 성능이 떨어지지만, 가격이 저렴하다. 따라서 상용화를 위한 수소연료전지에는 저렴한 탄화수소계 전해질막을 이용하는 것이 좋은데, 탄화수소계 전해질막은 전극과의 밀착력이 매우 낮다는 문제를 가지고 있다.

 

   
▲ 전해질막과 전극 사이의 레고 계면 구조 | 김희탁 교수 제공

밀착력 높인 레고 계면 구조
기존에는 물리적 결합 없이 열과 압력을 이용하여 전극과 탄화수소 전해질막을 붙였다. 하지만 기존의 방법으로는 탄화수소계 전해질막과 전극의 밀착력에 한계가 있었다. 따라서 연구팀은 탄화수소계 전해질막의 경계면과 전극 사이에 물리적인 결합이 있다면 밀착력을 강화할 수 있을 것으로 생각했다. 따라서 연구팀은 탄화수소계 전해질막의 경계면에 돌기를 만들고 결합할 전극 표면에 여러 구멍을 만들어 레고 블록처럼 결합하도록 했다. 레고 모양을 한 전해질막의 돌기와 구멍 난 전극 표면이 결합했을 때 전해질막에 수분을 공급하면, 돌기가 수분과 반응해 팽창하면서 수직항력이 생겨 전해질막과 전극의 결합이 강해진다. 이를 이용해 탄화수소계 전해질막의 밀착력을 기존의 수십 배 정도로 끌어올릴 수 있다.

수소연료전지 상용화에 이바지해
수소연료전지는 이미 상용화 가능한 수준의 성능을 갖고 있지만, 그 생산비용을 낮추지 못해 상용화되지 못했다. 탄화수소계 전해질막은 전극과의 밀착력이 낮아 성능에 한계가 있었다. 이러한 문제를 해결하지 못했던 기존의 수소연료전지는 불소계 전해질막을 사용할 수밖에 없었고, 생산비용을 낮추는 데 한계가 있었다. 하지만 이번 연구로 밀착력 문제가 해결되어 탄화수소계 전해질막을 이용할 수 있으므로 수소연료전지 생산비용의 40%에 달하는 전해질막 생산비용을 5분의 1까지 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구는 수소연료전지의 생산비용을 낮춰 상용화에 이바지한다는 점에서 의의를 가진다. 김 교수는 “이번 연구로 전해질막 생산비용의 절감에 성공했다”라며 “앞으로 수소연료전지 생산비용 중 높은 비율을 차지하는 백금전극의 비용을 절감하는 연구를 진행할 예정이다”라는 계획을 밝혔다.

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