수소연료전지는 공기 중 산소와 연료탱크 내 수소로 구동되는 발전장치로 차세대 친환경 운송수단인 수소연료전지차의 핵심 기술이다.
하지만 수소연료전지는 내연기관에 대비해 가격이 비싸 보급이 어렵고, 고가의 불소계 멤브레인을 이용하기 때문에 가격이 비싸다는 것이 단점으로 작용한다.
가격을 낮추기 위해 저가의 탄화수소계 멤브레인이 제안됐지만 탄화수소계 멤브레인은 전극과의 계면 결착력이 낮아 전극과 멤브레인 간 계면이 탈리돼 수명이 급감하는 문제가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 탄화수소계 멤브레인 표면에는 스펀지 계면 구조를 도입하고, 전극 표면에는 고분자 층을 삽입해 물리적인 맞물림 계면을 구현했다. 이는 스펀지 계면구조와 전극 표면 고분자 층이 서로 3차원적으로 얽혀 고정돼 강한 계면 결착력이 발생하는 원리다.
연구팀은 전극과 멤브레인 사이의 계면 결착력을 기존 대비 약 37배 증가시켰고 탄화수소계 연료전지의 수명은 약 20배 연장하는 데 성공했다.
특히 스펀지 계면구조는 공정성이 높은 스프레이 코팅이나 딥 코팅 법을 이용해 제조가 가능해 산업적으로도 큰 의미를 가질 것으로 기대된다.
연구팀은 한국기초과학지원연구원의 김환욱 박사와 협력해 구조의 시각적 분석을 진행했고 KAIST 이대길 교수 연구팀과는 수치 해석을 통해 계면결착 원리를 규명했다.
홍영택 박사는 “이번 연구가 기존의 우수한 탄화수소계 멤브레인들을 연료전지에 쉽게 적용할 수 있는 계기가 돼 연료전지 가격을 낮추는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 재료과학분야 국제학술지 ‘어드밴스트 머티리얼즈’ 11월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
대덕=구본혁기자 nbgkoo@sedaily.com
