이성철 한양대학교 교수(화학공학과)가 주도하고 정치영 박사, 김태현 연구원이 참여한 연구팀은 고분자의 주사슬과 곁사슬의 이동도를 이용한 새로운 기능성 촉매층을 개발했다.
이 교수 연구팀이 개발한 ‘자가가습 고분자형 연료전지 촉매층’은 기존 저온형 연료전지의 저가습 성능의 한계를 극복한 매우 획기적인 방법으로 평가받고 있다. 저온형 연료전지 촉매층의 바인더(Binder) 역할을 하는 나피온 고분자(Nafion Polymer)의 주사슬과 곁사슬의 이동도 차이를 이용한 상분리(相分離: Phase separation) 기술을 개발해, 저가습(RH 0%)에서 연료전지 성능을 기존 대비 39배 이상 증가시켰으며, 완전가습(RH 100%)에서의 성능 대비 95% 이상의 성능을 보였다.
고분자 상분리 기술을 적용한 자가 가습 촉매층의 구조는 촉매 이중층(Dual-layer electrode)을 만드는 것으로 , 연료전지 성능에 관여하는 제1촉매층 (Inner-catalyst layer)과 수분 관리에 관여하는 제2촉매층(Outer-catalyst layer)으로 구성된다.
이러한 상분리를 이용한 촉매 잉크를 사용하여 만든 제2촉매층은 기공크기가 3~4 nm이고, 소수성의 성격을 갖는다. 이러한 성격으로 제1촉매층에서 생성된 물을 제2촉매층이 가두는 역할을 하며 이로 인해 연료전지 막전극 접합체(MEA)의 내부 가습이 충분하게 이루어 질뿐 아니라 초저(超低) 액상의 물 제거율로 인하여 기상의 물로만 배출이 된다.
고분자 상분리 기술은 나피온 고분자 뿐만 아니라 다양한 고분자의 사슬 이동도 차이와 이를 분리 재정렬 시키는 적절한 용매를 선택함으로써 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 예상된다.
이성철 교수는 “이번에 개발된 상분리를 이용한 자가 가습 촉매층은 휴대용 연료전지 뿐 아니라 가정용·자동차용 연료전지 산업에도 큰 파급 효과를 줄 것으로 기대 된다”고 연구 의의를 밝혔다.
연구 결과는 세계적 권위의 학술지인 켐서스켐(CHEMSUSCHEM) 2월호에 게재됐다.
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