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[이재영 교수] 흑연나노섬유를 활용해 수소연료전지의 난제인 물 관리 개선에 성공
이름 : 김은미 | 작성일 : 2018.11.29 11:36 | 조회수 : 44

GIST(지스트, 총장 문승현) 지구환경공학부 이재영 교수 연구팀이 한국전력공사 전력연구원(원장 배성환)과 공동연구를 통해 흑연나노섬유를 이용하여 수소연료전지 공기극의 물 관리 문제를 개선하는데 성공했다.

수소연료전지는 애노드(anode)에서 수소산화반응*, 캐소드(cathode)에서 산소환원반응**이 일어나는 친환경 고효율 발전 장치이다. 연료로 주입되는 수소는 수소 이온과 전자로 분해된다. 분해된 전자는 외부회로를 통해 전기를 생산하고, 수소 이온은 수소이온교환막을 통하여 상대극의 공기 속 산소와 반응하여 물을 생산한다.

* 수소산화반응: 수소연료전지 음극에서 발생하는 반응(H2 2H+ + 2e-)

** 산소환원반응: 수소연료전지 양극에서 발생하는 반응(1/2O2 + 2H+ + 2e- H2O)

  

 

산소환원반응으로 생성된 물은 수소이온교환막에 적절히 포함되면 수소이온전도도를 향상시키지만, 생성된 물이 과량이 되면 전극 내부에 물이 넘치게 되는 현상(water flooding)이 일어나게 된다. 이는 연료의 물질 전달을 방해하여 수소연료전지의 심각한 성능 저하 요인으로 작용한다.

연구팀은 전기방사법을 이용하여 탄소나노섬유를 합성하였고 이를 2500의 초고온에서 열처리하여 탄소를 흑연화하였다. 이어서 흑연나노섬유를 백금/탄소 촉매와 혼합하여 고분산 촉매 잉크를 제조하였고, 이를 스프레이 법으로 전극을 구성하였다.

본 연구팀에서 개발한 흑연나노섬유가 도입된 수소연료전지 전극은 기존의 백금/탄소 전극만을 사용한 것과 비교하여 과량의 물의 자발적 배출과 공기 속 산소의 공급을 원활하게 하는 역할을 하였다. 이는 촉매층 내부의 흑연화된 탄소나노섬유가 갖는 소수성 표면과 높은 전기전도도에 기인한 것임을 규명하였다.

이재영 교수는흑연나노섬유를 도입하여 물 관리가 개선된 전극은 탄소 전극의 부식을 상대적으로 억제하여 내구성 향상에도 뛰어난 효과를 보일 것으로 생각된다며 이번 연구 성과를 통해 백금 귀금속 촉매의 내구성 확보가 가능하게 되었고, 이는 수소전기차 제조의 경제성을 높이는데 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다고 말했다.

GIST 지구환경공학부 이재영 교수(교신저자)가 주도하고 정선기 박사과정생(1저자)이 수행한 이번 연구는 한국전력공사의 지원을 받았으며, 에너지연료 분야의 국제학술지인 Journal of Power Sources 84() 온라인판에 게재되었다. <>

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