국립안동대학교(총장 정태주) 전기·신소재공학부 이덕현 교수팀이 저습도에서 뛰어난 성능을 발휘하는 양성자 교환 막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC)용 촉매 층을 개발했다.

 양성자 교환 막 연료전지(PEMFC)는 저온 운전에서 높은 발전 효율과 뛰어난 에너지 밀도를 가진 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 가스 확산층, 촉매 층 및 양성자 교환 막으로 구성된 막 전극 조립(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 적절한 수분 유지는 양성자의 전도도를 유지하는 데 중요하다. 양성자 교환막의 탈수 및 촉매 층의 감소는 낮은 습도에서 PEMFC의 성능을 저하시키며 고출력 운전 중에 발생하는 과도한 수분은 가스 확산 및 양성자 이동을 방해하고 촉매 층의 침수를 유발할 수 있다. 실제 환경에서 PEMFC는 낮은 습도 환경에서 운전해야 하므로 가습기를 사용해야 하며 가습기는 PEMFC의 유지 보수 비용과 시스템 크기를 증가시키는 문제가 있다.

 이 연구에서는 이온 전도성과 수분 보유 능력을 갖춘 양쪽성 이온 고분자(ZWIP) 기반 고분자인 Poly(sulfobetaine methacrylate) (pSBMA)를 MEA 첨가제로 선택했다. 이로 인해 일반적으로 스스로 가습이 어려운 양극의 촉매 층에 pSBMA를 첨가함으로써 흡습성을 통해 수분을 유지하고 저습도에서 MEA의 이온 전도성능을 향상시켰다. 전기화학 분석 결과, MEA에 5 wt%의 pSBMA를 첨가함으로써 상대습도 19%에서도 높은 발전효율을 가지는 것을 확인했고, 70시간 이상의 장기 내구성 테스트에서도 촉매층의 효율이 유지됨을 보여줬다.

이번 연구 성과는 PEMFC의 저습도 조건에서의 운전과 성능 향상을 위한 중요한 진전으로 받아들여질 수 있으며, 이로써 지속 가능한 에너지 생산의 가능성을 높였다. 이 연구결과는 ACS Applied Energy Materials지에 2023년 12월 28일자로 게재됐으며, 국립안동대학교와 미국 캔자스대학교(University of Kansas), 한국생산기술연구원이 공동 연구로 수행됐다.