DGIST “연료전지의 성능 내구성 향상” 새 합성법 개발

연료전지의 성능 내구성 향상 새 합성법을 개발한 DGIST 에너지공학 전공 샨무감 교수(좌)와 맥스웰 치포아카 석사과정생. [사진=대구경북과학기술원 제공]

DGIST(총장 국양)는 에너지공학 전공 상가라쥬 샨무감(Sangaraju Shanmugam) 교수팀이 연료전지에 사용되는 내피온(Nafion) 소재의 ‘고분자 전해질막(PEM, Polymer Electrolyte Membrane)’이 갖는 성능저하 및 열화 문제를 해결하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

새로운 방식으로 개발된 PEM은 연료전지의 출력과 내구성을 모두 개선할 것으로 기대돼 향후 연료전지가 활용되는 다양한 산업 분야에 긍정적인 영향을 줄 것으로 예상된다.

샨무감 교수팀은 세륨-티타늄 산화 나노입자가 골고루 분포된 탄소 나노 섬유를 내피온과 혼합, 기존 내피온이 갖는 단점을 해결할 수 있는 새로운 PEM을 개발했다.

혼합된 물질은 연료전지에 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 2배 가량 향상시켰다.

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열화 완화 복합 막 제조 과정 및 나노입자(왼쪽)와 낮은 습도 조건에서 열화 완화 복합 막 연료전지의 지속해서 안정적인 작동(오른쪽) 모습.[사진=대구경북과학기술원 제공]

‘고분자 전해질 연료전지’는 수소가스의 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면서 수소 이온은 전해질막을 통해서 반대 전극으로 이동하게 되고, 전자는 도선을 따라 이동하면서 전기에너지를 생산하는 원리로 작동된다.

이때, 수소이온만을 통과시키는 막이 바로 고분자 전해질막(PEM)이다. 이러한 막을 제작하는 데 있어 이온 전도성이 높은 ‘내피온’이 강점을 갖지만, 습도가 낮아질수록 성능과 수명이 저하되는 단점이 있어서 활용에 한계가 있었다.

샨무감 교수팀은 내피온으로 제작된 PEM이 낮은 습도에도 안정적인 성능과 수명을 보장하는 방법에 관한 연구를 진행했다. 기존에 사용된 내피온에 새로운 물질을 혼합해 기존의 단점뿐만 아니라 성능과 내구성 문제를 함께 해결할 수 있었다.

샨무감 교수팀의 이번 연구 결과는 관련 분야에서 세계적인 학술지인 ‘아메리칸 케미칼 소사이어티(American Chemical Society)’의 온라인에 게재됐다.

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