[월간수소경제 성재경 기자] 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 작동 온도가 높을수록 전기화학 반응 속도가 빠르고 불순물에 대한 저항성이 높아 고성능을 요구하는 트럭, 기차, 선박, 비행기 등에 사용될 수 있다.
그러나 100℃ 이상의 고온에서는 고분자 내 수분이 증발하면서 이온전도도가 감소하는 것을 방지하기 위해 별도의 냉각시스템이 필요하고, 이로 인해 증가되는 무게는 PEMFC의 효율 저하로 이어진다.
냉각시스템 없이 PEMFC를 사용하기 위해서는 80~200℃의 고온‧무가습 조건에서 성능 개선이 필요한 상황이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사팀이 로스알라모스 연구소(LANL) 김유승 박사팀과 공동연구를 통해 고분자전해질 연료전지의 성능 향상에 핵심 역할을 하는 이오노머의 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 전달되면서 양성자화된 포스폰산 이오노머가 형성된다.
이런 복합 이오노머를 사용하면 물 없이도 이온전도가 가능해져 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 해 반응기체의 접근성을 유도했다. 연구진은 복합 이오노머의 미세다공성 구조는 이를 분산시킨 용매에 달려 있으며, 특히 분산용매의 pKa(산의 세기)와 포스폰산 이오노머 미세다공성 구조 사이에 직접적인 상관관계가 있음을 밝혀냈다.
또 고온 수소연료전지의 성능평가를 통해 복합 이오노머의 미세다공성 구조가 연료전지의 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인했다.
KIST 이성수 박사는 “이번 성과는 고온 수소연료전지에서 이오노머 분산용매의 pKa의 중요성을 발견한 것”이라며 “소형 이동 수단뿐 아니라 트럭이나 선박 등과 같은 대형 모빌리티로 수소연료전지의 활용처를 넓혔다”고 연구의 의의를 밝혔다.
이번 연구 결과는 미국화학회가 펴내는 국제 학술지인 ‘ACS Energy Letters’에 실렸다.