이재석 교수팀, 저가의 고효율 연료전지 막 개발

 

연료전지 및 각종 분리막 소재 국산화 기대

 

친환경 에너지 분야 발전에 크게 기여

 

광주과기원 연구팀이 기존 연료전지 막에 비해 가격은 저렴하면서도 안정성과 효율성을 크게 향상시킨 연료전지 막을 개발해 국내외 학계의 비상한 주목을 받고 있다. 특히 이번에 개발한 연료전지 막은 기존의 외국산 고분자 막을 대체하여 연료전지 국산화에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다. 또 연료전지 막 뿐 아니라 해수담수화용 역삼투 막, 바이오 연료전지의 분리 막으로도 활용할 수 있는 등 적용범위까지 넓어서 산업화 가능성이 매우 큰 것으로 전문가들은 평하고 있다.

 

9일 광주과학기술원(GIST, 원장 선우중호)은 신소재공학과 이재석(사진) 교수팀이 현재 연료전지용 양이온 전해질 막으로 가장 많이 사용되고 있는 나피온(Nafion)의 성능을 능가하면서 가격은 5배 정도 저렴한 새로운 고분자막(안정성과 효율성이 높아지도록 특수 처리한 폴리(아릴렌에테르))를 개발했다고 밝혔다.

 

이 교수의 연구 성과는 최근 고분자 분야에서 세계적 권위를 인정받고 있는 학술잡지인 고분자(Macromolecules)지에 연속적으로 발표되는 등 국제학회에서 큰 관심을 끌었다. (Macromolecules 2009, 42, 584 accepted December 6; Macromolecules DOI: 10.1021/ma8024199 accepted January 8, 2009) 또 최근 국내는 물론 국외 특허등록 및 출원을 통해 신기술로서의 가치도 검증받았다. (PCT/KR2007/001117, KR 0819332, KR 2007-0102342)

 

* 논문명

1. 양성자 교환 막을 위한 말단에 가교구조를 함유한 폴리(아릴렌 에테르) (End-Group Cross-Linked Poly(arylene ether) for Proton Exchange Membranes), Macromolecules 2009, 42, 584

 

2. 수송특성에 관한 부분 불소계 방향족 폴리에테르의 가교도 효과

(Cross-Linking Density Effect of Fluorinated Aromatic Polyethers on Transport Properties), Macromolecules DOI: 10.1021/ma8024199

 

* 논문이 게재된 인터넷 주소 :

1. (Macromolecules 2009, 42, 584)

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma802233j?journalCode=mamobx&quickLinkVolume=42&quickLinkPage=584&volume=42

 

2. (Macromolecules DOI: 10.1021/ma8024199):http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma8024199

 

나피온은 연료전지용 양이온 전해질 막으로 많이 사용되어 왔으나, 낮은 유리전이온도(용어설명: 고분자의 물질이 온도에 의해 분자들이 활성을 가지며 움직이기 시작하는 시점) 때문에 고온(80도 이상)에서 결함을 갖고 있다. 또 액체 연료전지에 사용될 때에도 연료의 높은 투과도(연료가 막을 통과하는 정도) 때문에 연료전지의 효율을 저하시키는 단점을 보여 왔다. 이 교수팀(기능성고분자합성연구실)이 개발한 고분자막은 이같은 나피온의 결점에 비해서 안정성과 효율성 면에서 크게 개선된 것이다. (구체적인 내용은 보충설명 참조)

 

이재석 교수는 “이번에 개발한 막 소재는 다양한 분야에 적용하기 위해 기존의 연료전지 등 해당 장치에 직접 적용했을 때의 성능을 측정 중에 있다”며 “특정 장치의 막으로 사용할 때 요구되는 최적화 문제 등 몇 가지 남은 과제를 해결하면 산업적으로 큰 파급력을 미칠 것으로 전망하고 있다”고 말했다.(광주과학기술원 홍보협력팀, 2009.2.10)

 

<언론보도현황>

-중앙일보, 조선일보, 전자신문, 동아일보, 매일경제, 서울신문, 파이낸셜뉴스, 사이언스타임스, 마이데일리, 메디컬투데이, 에코저널

-연합뉴스, 뉴시스, 광주일보, 전남일보, 무등일보, 광주매일신문, 광남일보, 전남매일, 호남매일 

 

<연구사진1: GIST 이재석 교수가 개발한 고분자 구조>

 

<연구사진2: 이재석 교수가 개발한 방향족 가교계 구조 >

 

 

<보충설명> 이재석 교수팀이 실행한 기술적 내용

 

- 이재석 교수는 연료전지용 막의 고분자 소재로 부분 불소계를 선택하고, 양이온을 전달하는 통로와 막을 유지하는 메트릭스가 교차하는 공중합체(고분자)를 제조하여 나노크기의 이온채널을 형성하였으며, 최종적으로 열적이나 화학적인 안정성을 장기간 유지하도록 가교계를 도입하였다. 더 나아가 가교구조가 최종적으로 안정한 구조를 갖는 방향족 구조(벤젠과 같은 6각형 고리를 포함한 탄소화합물을 말하는 것으로 공명구조(콘쥬게이션)로 인해 매우 안정한 성질을 가짐)를 갖도록 하여 장기 안정성을 더한 부분 불소계 방향족 가교 구조가 도입된 술폰기(-SO3H)를 함유한 폴리아릴렌에테르 공중합체의 개발에 성공하였다.

 

- 이 교수팀이 개발한 양이온 교환 막은 방향족 가교계로 인한 열적, 화학적 안정성이 높을 뿐 아니라, 전도도가 나피온(Nafion) 보다 높은 ~0.12 S/cm을 나타내고 있다. 액체 연료전지에서 중요한 요구 성능인 연료투과도는 ~6x10-7 cm2/s 이하로 적용 가능성이 매우 높다. 이번에 개발한 막 소재는 현재 다방면에 적용하기 위해서 그 소자 성능을 측정 중에 있으며, 소자에 직접 적용하여 최적화를 해야 하는 과제를 남기고 있다. 특히 본 과제에 참가하였던 박사과정 학생 이관수(2009년 2월 박사 취득 예정)는 연료전지의 개발의 선두에 서 있는 미국의 ‘Los Alamos Natioal Lab.’에서 그 소자 성능을 측정 중에 있다.