아이오노머 소재에 적용, 생산단가도 낮춰
[에너지단열경제]박장수 기자
국내 연구진이 커피의 카페인을 제거하는 기술로 수소 연료전지의 수명을 늘리는 기술을 개발했다.
커피에서 카페인을 제거한 디카페인 커피는 액체인지 기체인지 모를 초임계 유체 상태의 이산화탄소가 원두에서 카페인만 녹여내는 방식으로 만든다.
국내 연구진이 이 원리를 응용해 수소연료전지 성능을 높일 수 있는 기술을 개발한 것이다.
조용훈 강원대 교수, 이창현 단국대 교수, 성영은 서울대(기초과학연구원 나노입자연구단) 교수의 공동연구팀은 최근 초임계 유체 상태의 아이오노머를 활용, 수소연료전지의 수명을 향상시켰다.
수소차의 동력원인 수소연료전지는 백금촉매로 수소와 산소를 반응시켜 전기를 얻는다.
이 과정에서 아이오노머는 수소이온을 촉매층 내부로 전달하고, 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할을 한다.
초임계 유체는 특정 고온·고압을 받아 밀도는 액체에 가깝지만, 점도는 기체에 가까워 액체와 기체의 특성이 혼재된 물질 상태를 말한다.
커피에서 카페인을 제거할 때 초임계 유체 상태의 이산화탄소를 활용한다.
의약품이나 화장품 향료에서 원하지 않는 물질을 고순도로 추출할 때 사용 한다.
연구팀은 수소연료전지의 아이오노머를 고온·고압 처리해 초임계 유체 상태로 만들었다.
아이오노머는 이온 전도성이 있는 고분자다.
기존 아이오노머는 고분자 사슬간 얽힘 때문에 수소이온의 전도가 불균일하고 공정이 복잡해 단가가 높았다.
초임계 유체 상태의 아이오노머는 평균 입자 크기가 25분의 1로 줄어들면서 수소 이온의 전도성이 크게 향상됐다.
기체 같은 점도로 빠르게 확산되고 액체 같은 밀도로 용해력이 높아진 것이다.
연구팀은 초임계 유체 상태의 아이오노머는 기존 아아이오노머보다 최대 1.83배 빠르게 촉매로 전도됐다고 밝혔다.
고분자 사슬간 간격을 좁혀 얽힘을 막고 수소이온의 전도성을 높일 수 있었다.
또 분자량은 1.5배, 결정성은 1.62배 향상됐다
연구팀은 실제 수소 연료전지에 이를 적용해 봤다.
결과는 전극 내 분산성이 개선됐으며 내구성도 6배나 향상돼 향후 연료전지 시스템 교체 주기를 연장시키는 기술로 활용될 수 있을 것으로 예상했다.
연구팀은 "이 기술을 통해 균일한 성질을 가진 아이오노머를 대량 생산할 수 있게 돼, 아이오노머의 생산 비용을 크게 낮출 수 있다"며 "이 기술은 현재 상용화된 수소 연료전지 자동차, 연료전지 발전설비에 적용할 수 있다"고 밝혔다.
이번 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’에 2월 1일 게재됐다.
수소 연료전지 전극(촉매와 아이오노머로 구성)에 초임계 조건에서 개발된 본 아이오노머를 적용할 경우, 높은 분산성 및 내구성을 나타낸다.
<성과와 실용화 여부>
기존 연료전지 소재 관련 연구는 주로 촉매의 활성 및 내구성 향상에 초점을 두었다.
그 결과 촉매 자체의 활성이나 내구성은 매우 향상되었지만, 실제 연료전지의 전극에 적용하면 그 성능은 기존 촉매와 큰 차이가 없었다.
이번 연구를 통해 특별한 촉매를 개발하지 않고도, 전극 내 아이오노머의 특성을 개선함으로써 연료전지의 성능 및 내구성이 향상되는 것을 확인하는 계기가 됐다.
실용화 측면에는 기존 소재의 제작 공정보다 단순한 초임계 유체 공정을 사용하기 때문에, 아이오노머의 생산단가를 대폭 낮출 수 있다.
기존 공정에 의해 만들어진 아이오노머보다 균일하며 대량생산이 가능한 만큼 현재 상용화된 수소 연료전지 자동차와 연료전지 발전설비에 적용 가능할 것으로 보인다.
수소 연료전지 자동차를 위한 인프라가 국내 뿐 아니라, 전 세계적으로 보급된다면 조만간 초임계유체 아이오노머가 적용된 연료전지 자동차가 등장할 것으로 전망된다.
<아이오노머(ionomer)>
이온(ion) 전도성이 있는 고분자(polymer)다.
에틸렌(ethylene)과 메틸아크린산(methylacrylic acid)의 공중합체로서 카르복실기 그룹에 Na, K, Mg, Zn 등의 금속 이온에 의해 가교결합을 갖는 중합체를 말한다.
아이오노머는 다른 중합체나 금속호일에 접착력이 좋고 오일이나 기름에 접착력이 좋은 특징이 있다.
아이오노머에서 메틸아크릴산이나 메틸아크릴레이트염(methylacrylate)의 양은 약 4~15% 정도다.
메틸아크리레이트의 양이 적을수록 금속접착력, 강성도, 투과도는 작아지는 반면 접착강도는 커진다.
아이오노머 수지의 특징은 이온가교된 분자가 가열되면 가교결합이 끊어져 열접착성이 나타나기 때문에 가공성이 좋아진다.
냉각되면 다시 이온 가교되어 견고해지기 때문에 기계적 성질이 뛰어나다.
이외에도 내유성, 내한성에 뛰어나며 강산, 강알칼리, 그리스 오일, 유기용제와 물에 대하는 저항이 뛰어나다.
식품포장의 용도로는 열접착성이 매우 좋아 무균포장과 같은 카톤 포장재의 열접착층이나 블리스터포장 등에 사용된다.
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