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Research

연료전지의 성능과 내구성을 단번에 해결할 새로운 합성법 개발

  • 조회. 682
  • 등록일. 2021.05.24
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 에너지공학전공 샨무감 교수팀, 연료전지의 성능저하와 내구성 향상을 위한 새로운 합성법 제시
기존 연료전지 내 전해질막 개선을 통해 성능과 내구성 한 번에 잡아


 

관련사진1.DGIST 에너지공학전공 샨무감 교수(좌), 맥스웰 치포아카 석사과정생(우)
[DGIST 에너지공학전공 샨무감 교수(좌), 맥스웰 치포아카 석사과정생(우)]

 

 DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 (Sangaraju Shanmugam) 교수팀은 연료 전지에 사용되는 내피온(Nafion) 소재의 ‘고분자 전해질막(PEM, Polymer Electrolyte Membrane)’1)이 갖는 성능저하 및 열화2) 문제를 해결하는데 성공했다. 새로운 방식으로 개발된 PEM은 연료전지의 출력과 내구성을 모두 개선시킬 것으로 기대돼, 향후 연료전지가 활용되는 다양한 산업분야에 긍정적인 영향을 줄 것으로 예상된다.

 ‘고분자 전해질 연료전지’는 수소가스의 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면서 수소 이온은 전해질 막을 통해서 반대 전극으로 이동하게 되고, 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기에너지를 생산하는 원리로 작동된다. 이 때, 수소이온만을 통과시키는 막이 바로 고분자 전해질막(PEM)이다. 이러한 막을 제작하는데 있어 이온 전도성이 높은 ‘내피온’이 강점을 갖지만 습도가 낮아질수록 성능과 수명이 저하되는 단점을 지녀, 활용에 한계가 있어왔다.

 이에, 샨무감 교수팀은 내피온으로 제작된 PEM이 낮은 습도에도 안정적은 성능과 수명을 보장할 수 있는 방법에 대한 연구를 진행했다. 그 결과, 기존 사용되던 내피온에 새로운 물질을 혼합해 기존의 단점뿐만 아니라 성능과 내구성 문제를 함께 해결할 수 있었다.

 샨무감 교수팀은 세륨-티타늄 산화 나노입자가 골고루 분포돼 있는 탄소 나노섬유를 내피온과 혼합, 기존 내피온이 갖는 단점을 해결할 수 있는 새로운 PEM을 개발했다. 혼합된 물질은 연료 전지에 사용된 내피온 소재의 PEM이 열화되는 것을 막아주고, 낮은 습도 환경에서도 정상적인 작동을 가능하게 했다. 여기에 기존 대비 열화 수준을 절반으로 낮춰, 섭씨 80도 상황에서 200시간 사용이 가능하던 기존 내피온의 내구성을 2배가량 향상시켰다.

 DGIST 에너지공학전공 상가라쥬 샨무감 교수는 “기존 내피온 소재의 PEM을 개선함으로써 향후 석유를 대체할 연료전지를 만드는데 기여할 수 있을 것이란 생각에 연구를 시작했다”며 “비용 절감 문제와 내구성 문제 해결과 관련된 추가 연구 등 앞으로 추가적인 연구를 진행해 본격적인 상용화를 이뤄낼 수 있도록 노력할 것”이라고 했다.

 한편, 이번 연구결과는 관련 분야에서의 세계적인 학술지인 ‘American Chemical Society’에 온라인 게재됐다.


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1) 고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane): 수소연료전지의 4대 구성요소 가운데 하나로, 선택적 투과능력을 보이는 분리막(멤브레인)이다. 외부에서 유입된 수소가스가 전극층에서 수소이온과 전자로 분리되는데 이 전자가 도선을 따라 전류를 만든다.
2) 열화(劣化): 절연체가 외부적인 영향이나 내부적인 영향에 따라 화학적 및 물리적 성질이 나빠지는 현상


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연구결과개요

Degradation-Mitigating Composite Membrane That Exceeds a 1 W cm–2 Power Density of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Operating Under Dry Conditions
(Maxwell Tsipoaka, Md. Abdul Aziz, and Sangaraju Shanmugam*)
(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, February 9th, 2021, online published) 


 고분자 전해질 막 연료전지에서의 가장 상용화된 고분자 전해질막(PEM)은 이온 전도 및 화학적 안정성에 있어 우수한 특성을 가진 내피온(Nafion) 막입니다. 그럼에도 불구하고 내피온막은 낮은 습도에서의 성능 저하와 급속한 열화로 인해 광범위한 적용이 제한돼 왔습니다. 
 이에, 연구팀은 탄소 나노 섬유(CTO / CTO @ CNF)에 세륨-티타네이트 나노 입자를 분산시켜 간단하면 효율적인 합성 방법을 개발했습니다. CTO / CTO @ CNF는 분해 완화 첨가제로 사용되어 이를 내피온 이오노머에 도입되었을 경우, 현재 내피온으로 제작된 멤브레인 중 가장 최신의 ‘Nafion-211 멤브레인’의 기능을 능가함을 관찰했습니다. CTO / CTO @ CNF를 내피온에 도입시킨 복합막은 OCV 조건에서 400 시간 이상 작동 가능한 수준의 내구성과 기존대비 멤브레인 열화를 최대 1/2 수준으로 크게 줄였음을 실험을 통해 입증했습니다. 또한 낮은 상대 습도에서 연료전지 성능 결과, 최대 출력(1219mW cm-2)과 전류 밀도(3986mA cm-2)를 보였습니다.

키워드 : 고분자 전해질 막 연료 전지, 열화 완화, 내구성, 불소 배출률, Cerium titanate nanoparticles 나노 입자, 탄소 나노 섬유

DOI : 10.1021/acssuschemeng.0c07846

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
내피온(Nafion)은 습도에 영향을 크게 받으며, 낮은 습도 조건에서는 수소 이온 전도가 일어날 수 없어 연료전지 성능이 저하될 뿐만 수명이 제한되어 스택 비용을 더욱 증가됩니다. 이번 연구에서 개발한 PEM 연료 전지용 복합막은 낮은 습도 조건에서 최대 출력(1219mW cm-2)과 전류 밀도(3986mA cm-2)를 보였습니다. 연구팀이 개발한 복합막은 열화를 최대 1/2로 줄이고 최대 400시간까지 작동가능한 수준까지의 내구성 향상시켜, 현 최첨단 Nafion-211 멤브레인을 능가하는 것을 발견하였습니다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
PEM을 사용한 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 고효율 및 Zero-CO2  배출의 장점을 가지기 때문에 기존 에너지원의 대안으로 많은 관심을 받고 있습니다. 현대자동차를  포함한 도요타, 혼다, 도시바, 에어버스 등 수소 전기차를 개발 중에 있으며, 특히 내구성 문제를 해결하고자 노력하고 있기 때문에 이 연구 결과는 연료전지 시장에 큰 기여를 할 것입니다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
해당 기술은 아직 상용화 초기 단계에 있으며 대체할 기존 기술과 동등한 성능 발휘여부 및 비용 절감, 기타 내구성 관련 매개 변수를 평가를 위해 더 많은 연구개발이 수반돼야 합니다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
환경 보호에 대한 애정과 석유 기반 에너지의 생산 및 소비와 관련된 주요 문제를 완화하는 데 도움이 되고자 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 관련 연구를 진행하게 됐습니다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
기존 대비 습도가 낮은 환경에서 우수한 연료 전지 성능을 관찰할 수 있었고, 이와 더불어 더욱 더 향상된 내구성을 확인할 수 있었다는데 의미가 있습니다. 기존 대비 개선된 사항들은 향후 수소연료 전지 상용화에 필수적인 내구성 확보에 더욱더 기여할 것으로 보입니다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
이번 연구에서는 전해질 막에 첨가제의 도입을 통해 연료전지의 성능과 수명을 향상시키는 것을 이루었다. 다음 목표는 실험실 스케일인 아닌 실질적인 평가 시스템에서 연료전지 성능을 평가하고 기술을 확보하여 기술 이전 및 양도 등을 통해 사업화를 이루고 싶습니다.


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그림 설명

[그림 1] 성능저하 및 열화 문제를 해결한 PEM 연료 전지의 개략도

관련사진2.성능저하 및 열화 문제를 해결한 PEM 연료 전지의 개략도

미래의 수소 연료전지 자동차에 새롭게 개발한 PEM을 적용한 모습의 모식도


[그림 2] 열화 완화 복합 막 제조 과정 및 나노입자(왼쪽), 낮은 습도 조건에서 열화 완화 복합 막 연료 전지의 지속적으로 안정적인 작동(오른쪽)

관련사진3.열화 완화 복합 막 제조 과정 및 나노입자(왼쪽), 낮은 습도 조건에서 열화 완화 복합 막 연료 전지의 지속적으로 안정적인 작동(오른쪽)
(왼쪽) 열화를 완화할 수 있는 복합막의 제조 과정의 모식도 및 복합재료의 SEM 이미지 
(오른쪽) 저습 조건에서의 400 시간 이상의 내구성 조건에도 안정된 OCV 결과를 보여주는 그래프
 
 
DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

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