KAIST-화학연, 스펀지 구조로 결착력 높아진 수소연료전지 개발

▲ 스펀지 계면구조의 개념도.(사진=KAIST)

전극-멤브레인 결착력 낮으면 수명 급감..

계면결착력 37배 향상해 문제 해결

KAIST(한국과학기술원)는 김희탁 생명화학공학과 교수와 홍영택 한국화학연구원 박사가 공동으로 스펀지의 구조를 도입해 계면 결착력을 획기적으로 높인 ‘수소연료전지’를 개발했다고 21일 밝혔다.

수소연료전지는 공기 중 산소와 연료탱크 내 수소로 구동되는 발전장치로, 차세대 친환경 운송수단인 수소연료전지차의 핵심 기술이다.

다만, 수소연료전지는 내연기관에 대비 가격이 비싸며, 고가의 불소계 멤브레인(얇은 고분자 막)을 사용해 가격을 낮추기 어렵다는 단점이 있다.

이에 가격을 낮추고자 저가의 탄화수소계 멤브레인이 제안됐다.

그러나 탄화수소계 멤브레인은 전극과 계면결착력이 낮아 전극과 멤브레인 간 계면이 탈리돼 수명이 떨어지는 문제가 존재했다.

탈리는 분자나 이온 등에서 원자가 떨어지는 현상이다.

연구팀은 문제랄 해결하고자 탄화수소계 멤브레인 표면에는 스펀지 계면 구조를 도입했다.

전극 표면에는 고분자층을 삽입해 물리적인 맞물림 계면을 구현했다.

연구팀은 탄화수소계 멤브레인 표면에 스펀지 모양의 다공 층을 만들고 다공 층을 전극과 강하게 결합할 수 있는 고분자로 채웠다.

즉, 스펀지 계면구조와 전극 표면 고분자 층이 서로 3차원적으로 얽혀 고정돼 강한 계면 결착력이 발생하게 된 것이다.

연구팀이 개발한 탄화수소 멤브레인을 적용한 수소연료전지는 기존보다 계면 결착력이 37배 높았다.

또 수명도 20배 증가했다.

김희탁 교수는 “물리적인 맞물림 구조를 통해 연료전지의 계면 탈리 문제를 해결했다”며 “기존 스프레이 코팅 방식으로 쉽게 제조할 수 있어 연료전지 가격을 낮추는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 지난 10일 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 실렸다. 최소망 기자 somangchoi@