고온 고분자막 연료전지의 성능 개선 방법 찾았다

고온 고분자 전해질막 연료전지의 작동 원리(자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST, 총장 김기선)은 신소재공학부 이재석 교수와 이주형 교수, 에너지융합대학원의 박찬호 교수 공동연구팀이 고분자 전해질막 내의 기능기가 인산의 유출에 영향을 미치는 것을 확인하고 이를 통해 고온 고분자막 연료전지의 성능 개선 방법을 제시하였다고 지난달 2일 밝혔다. 
기능기(functional group)는 공통된 화학적 특성을 가진 한 무리의 유기화합물에서 각 특성의 원인이 되는 공통된 원자단 결합형식을 말한다. 
연구팀은 전해질막 내의 기능기를 최적화하여 인산의 유출을 최소화할 뿐만 아니라 인산 유출 현상을 계산과학으로 규명하였다. 향후 고효율 차세대 건물용 연료전지 개발에 활용될 것으로 기대된다.
120도 이상의 온도에서 작동되는 고온 고분자막 연료전지는 폐열을 온수와 난방으로 이용할 수 있다는 장점이 있어 차세대 건물형 연료전지 시스템으로 주목받고 있다. 이 연료전지는 전해질막 내의 인산을 통해 수소이온을 이동시키지만 연료전지가 작동되는 과정에서 전해질막에서 전극으로 인산 유출이 일어나 연료전지의 성능이 떨어지는 현상이 발생한다.  
연구팀은 인산의 유출 현상 규명을 위해 서로 다른 세 가지 아졸 화합물이 도입된 고분자 전해질막을 제조하여 비교하였다. 아졸 화합물은 인산과 비교하여 상대적으로 염기성이므로 산염기 상호작용을 통해 전해질 막 내부에 인산을 함유할 수 있게 한다. 또한, 수소와 메틸기로 각각 치환된 아졸 화합물의 질소치환기와 염기도가 전해질막의 인산 유출에 미치는 영향을 연구하였다.
인산을 함유한 전해질막을 수분에 노출시켰을 때 인산 유출이 작았던 메틸이미다졸 전해질막(6.9%의 유출량)을 연료전지에 적용한 결과, 가장 우수한 성능(0.197 W/cm2)을 확인하였다. 이와 함께 이산 푸리에 변환을 통해 전해질막 내에서 인산, 아졸 화합물, 그리고 물분자 간의 결합력을 계산하여 실험 결과와 일치함을 확인함으로써 전해질막의 인산 유출 현상을 이론적으로 규명하였다.
인산 전해질을 통한 수소이온 전도는 인산과 인산 사이를 수소이온이 뛰어넘는 그로투스 경로로 일어난다. 이때 고분자 전해질막의 아졸 화합물에 메틸기가 존재할 경우 산성 상태의 수소가 줄어들기 때문에 그로투스 경로의 효율과 수소이온 전도도가 떨어지지만, 수분 흡수가 적어서 인산 유출도 적어 수소 연료전지 성능은 더 향상되는 것을 확인하였다.
이재석 교수는 “이번 연구는 소재, 단위전지, 계산과학의 융합 연구를 통해 차세대 건물용 연료전지로 각광받고 있는 고온 고분자막 연료전지의 직접적인 성능 개선 방법을 도출하였다”면서 “향후 가정 내 연료전지 보급이 확대됨에 따라 분산발전과 함께 폐열을 활용한 난방 및 온수 사용으로 친환경 수소 경제 활성화를 촉진시키는데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 지스트 노벨 그럽스 연구센터, 한국에너지기술평가원, 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 소재과학분야의 저명 학술지인 “ACS Applied Materials & Interfaces”에 1월 3일 온라인으로 게재됐다.