GIST, 고온·저가습에서 높은 수소이온 이동도 갖는 신규 고분자 바인더 전극 개발

[이데일리 이연호 기자] GIST는 융합기술학제학부 박찬호 교수와 신소재공학부 이재석 교수 공동연구팀이 고온 양성자 교환막 연료전지에 적용할 수 있는 신규 고분자를 개발하고 이를 실제 전극에 바인더로 적용해 응용 가능성을 확인했다고 14일 밝혔다.

a) 신규 고분자 분자식, b) 신규 고분자의 투과전자 현미경 이미지, c) 온도에 따른 이오노머의 수소이온 이동도 변화, d) 접촉각 측정을 이용한 신규 고분자의 소수성 분석. 그래픽=GIST.

건물형 연료전지 시스템으로 연구되고 있는 고온 양성자 교환막 연료전지는 120℃ 이상에서 작동하기 때문에 저가습 조건에서 운전된다. 하지만 전극의 바인더(binder)이자 이오노머(ionomer)로 주로 사용되는 나피온(Nafion)은 저가습 조건에서 낮은 수소이온 이동도를 보인다. 이에 따라 고온조건에서 높은 수소이온 이동도를 갖는 이오노머 개발이 요구돼 왔다.

연구팀은 인산 작용기가 부착된 신규 고분자를 제조해 고온-저가습 조건에서 높은 수소이온 이동도를 갖는 이오노머를 개발했다. 기존에 액체 인산을 고분자에 함침시켜 수소이온 전도도를 높였으나 인산 유출로 인해 안정성이 감소되는 단점이 있다. 이에 연구팀에서 개발한 신규 고분자는 인산 작용기를 직접 고분자에 부착시켜 고분자의 안정성을 높였다.

인산 작용기를 통해 수소 이온이 이동함에 따라 물을 통해 수소 이온이 이동하는 나피온보다 고온-저가습 조건에서 높은 수소이온 이동도를 가짐을 확인했다. 또 측쇄가 길어짐에 따라 소수성(hydrophobicity)이 증가함을 접촉각 측정기(contact angle analyzer)를 통해 분석했다.

연구팀은 개발된 신규 고분자 이오노머를 150℃에서 작동하는 고온 양성자 교환막 연료전지 전극의 바인더로 적용했다. 단위전지 성능이 이오노머의 수소이온 이동도에 따라 변화했으며 인산 작용기에 의한 수소이온 이동이 일어남을 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy)을 통해 확인했다.

또 인산 작용기가 있는 비닐포스폰산을 이용해 고온 양성자 교환막 연료전지의 성능 개선을 위해선 전극의 소수성 증대가 필수적임을 밝혔다. 고온 양성자 교환막 연료전지의 새로운 바인더 개발을 통해 건물형 연료전지 소재 개발 및 보급에 긍정적인 영향과 신규 고분자 소재 확보를 통해 소재 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상되며 이에 따라 수소경제 사회 실현에 힘을 실을 수 있을 것으로 기대된다.

박찬호 교수는 “이번 연구를 통해 고온 양성자 교환막 연료전지의 전해질 막에 사용되는 새로운 고분자 바인더의 가능성을 확인하고 실제 단위전지까지 적용성을 검증했다는 것이 가장 큰 연구 성과”라며 “향후 고분자 바인더의 물리적 성질을 탐구하고 전극 형성에 대한 공정 최적화를 이루는 단계를 거쳐 상용화에 가까운 고분자 소재를 개발할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

GIST 박찬호 교수와 이재석 교수가 주도하고 박사과정 민청민, 김도형 학생 및 석사과정 이은애 학생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 화학공학 분야의 국제저명 학술지인 ‘Catalysis Today’에 7월 30일자로 온라인 게재됐다.