소형 수소차를 넘어 수소 트럭·비행기 시대로
- 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: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)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 이오노머(이오노머: 이온 전도성이 있는 고분자로, 전극 내에서 수소 이온을 촉매 층으로 전달하여 연료전지 성능을 높이는 역할을 함)의 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, 양성자화(양성자화(protonation): 원자, 분자, 이온에 양성자(H+)를 부가하여 짝산을 형성하는 것)된 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 용매(촉매와 이오노머를 분산시킨 용매로 촉매 잉크를 만들어 전극 표면에 뿌리고 건조시키면 전극 표면에 촉매와 이오노머만 남게 된다.)에 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
연구결과 개요
1. 연구배경
온실가스 배출로 인한 환경 오염, 기후 변화 등 환경 문제가 심각해지면서 온실가스 배출 감소를 위한 국제사회의 여러 노력과 함께 연소시켜도 공해 물질이 배출되지 않는 친환경 에너지 원인 수소 시장의 규모가 점점 커지고 있다. 연료전지는 수소와 산소가 갖는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로 수소와 공기 중의 산소를 공급하여 온실가스 배출 없이 전기를 만들어낸다. 수소연료전지자동차의 보급이 확대될 것으로 예상되는 가운데 소형 이동수단 뿐만 아니라 트럭, 지하철, 기차, 비행기, 선박 등과 같은 대형 모빌리티에의 응용이 기대되고 있다. 대형 모빌리티에 수소연료전지를 적용하기 위해서는 고온 (80~200℃), 무가습 조건에서 성능개선이 시급하다.
2. 연구내용
미세 다공성구조를 가지는 이오노머는 고온-수소연료전지의 성능을 결정하는 데 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 이오노머의 분산용매와 양성화된 포스폰산 이오노머의 미세 다공성구조 사이에 직접적인 상관관계가 있는 파라미터를 발견했다. 사용된 이오노머는 포스폰산(RPO3H2)을 함유하는 고분자와 설폰산(RSO3H)을 함유하는 고분자를 블렌딩한 복합 이오노머이다. 복합 이오노머 내에서 산의 세기가 더 센 술폰산의 수소가 포스폰산으로 전달되어 양성화된 포스폰산이 형성된다. 양성화된 포스폰산 이오노머의 미세 다공성 구조 형성은 분산 용매의 pKa (산의 세기)에 의해 결정되었으며 이는 전하를 띤 포스폰산 고분자와 분산 용매 사이의 산-염기 상호작용에 의한 것이다. 블렌딩을 하지 않은 포스폰산을 함유하는 고분자 자체 또는 술폰산을 함유하는 고분자 자체의 캐스팅 필름에서는 다공성 구조가 생성되지 않음을 확인하였다. 나아가 이오노머의 다공성도가 커질수록 반응 기체인 산소와 수소의 접근성이 빨라져 고온-수소연료전지의 성능이 좋아졌다.
3. 기대효과
이오노머의 화학적 구조도 고온-수소연료전지의 성능에 영향을 미치지만 이오노머의 미세구조 또한 성능에 영향을 미침을 확인하였다. 특히 이오노머의 분산 용매만 바꾸어 산-염기 상호작용으로 미세구조를 조절할 수 있다는 점에서 앞으로 다양한 이오노머의 미세구조를 조절하여 고온-수소연료전지의 성능을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
연구결과 문답 |
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
고온-수소연료전지의 성능개선을 목적으로 양성화된 포스폰산 이오노머를 만들기 위해 포스폰산을 함유하는 고분자와 술폰산을 함유하는 고분자를 균일하게 섞을 수 있는 분산 용매를 찾는 연구를 진행하고 있었다. 연구 과정에서 분산 용매에 따라 만들어진 복합 이오노머 캐스팅 필름의 투명도가 다른 것을 알게 되었다. 같은 이오노머들로 이루어진 복합 이오노머인데 분산 용매에 따라 나오는 필름의 형태가 다른 것을 보고 왜 다른지, 어떻게 다른지, 고온-수소연료전지의 성능에 어떤 영향을 미치는지를 연구하게 되었다. |
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
분산 용매로 인한 전하를 띠는 고분자(이오노머)의 상 분리는 연료전지의 성능에 중요한 역할을 한다. 분산 용매의 유전상수는 이오노머의 미세구조를 설명하기 위해 제안되어왔지만 캐스팅된 이오노머 필름의 미세구조와 상관관계가 크게 없었다. 본 연구에서는 복합 이오노머를 분산시킨 용매에 따라 이오노머의 미세다공성 구조가 달라짐을 발견했고 특히 분산 용매의 pKa (산의 세기)가 분산 용매와 포스폰산 이오노머 미세구조 사이에 직접적인 상관관계를 가지는 파라미터임을 밝혀냈다. |
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
ㅇ 국내 수소연료전지 모빌리티 산업 확장 ㅇ 신규 수소산업 형성 (대형 수소기반 발전소, 선박, 트럭, 잠수함, 드론, 비행기) ㅇ 탄소중립 사회 구현을 위한 수소경제 활성화 ㅇ 기존 저온-수소연료전지로 적용이 불가한 대형모빌리티의 청정 운송체계 확립 ㅇ 고성능 발전소 적용을 통한 Net-zero carbon 사회 구현 ㅇ 미세먼지 절감을 통한 국민건강 향상 |
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
본 고온-수소연료전지 기술은 바로 적용이 가능하나 기존 저온-수소연료전지 만큼 출력 성능을 적은 함량의 귀금속 촉매 사용량을 위해 인산-피독현상으로 억제된 새로운 산소환원 촉매가 요구된다. |
이해는 불가하나 물려 있던 수소주가 조금 올랐네요.