나노기술 및 정책 정보

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● 한국생산기술연구원의 윤기로 박사, 한국과학기술원의 김일두 교수, 서울대학교 성영은 교수 공동연구팀은 격자 구조의 나노섬유를 활용해 내구성이 뛰어난 수소연료전지용 전해질막을 개발

● 수소연료전지는 두 개의 전극과 양 전극 사이에서 수소 이온을 전도시키는 전해질막으로 구성되는데, 양쪽 전극으로 들어오는 연료 기체(수소 및 산소)를 분리하고 수소 이온만 통과시켜 분리막 역할을 하는 전해질막이 연료전지 시스템의 출력과 내구성을 좌우

● 이에 연구팀은 전해질막의 부피 팽창을 해결할 수 있는 방안으로 나노섬유에 주목하였고, 정렬 전기방사기술을 활용, 격자 구조의 폴리테트라플로오로에틸렌(PTFE) 나노섬유 제조에 성공

● 정렬 전기방사기술은 노즐과 기판 사이에 형성되는 전기장의 분포를 제어해 나노섬유에 방향성을 부여하는 신기술로, 나노섬유의 기공 크기와 방향성 제어가 가능해 1마이크론(㎛) 수준의 기공을 가지는 격자 구조의 PTFE 나노섬유를 제조

● 또한, 연구팀은 이어 격자 구조의 PTFE를 전해질막 보강용 지지체로 사용해 수소이온 전도도와 내구성을 높인 강화 복합 전해질막을 개발

● 격자 구조의 PTFE 나노섬유는 기공 사이로 수소이온의 전달을 돕는 고분자 물질의 침투가 용이하고, 고분자 물질의 팽창 및 수축 시에도 안정적으로 전해질막의 형태를 유지

● 특히, 개발된 강화 복합 전해질막은 수소연료전지 적용 시 기존 전해질막(0.6 W/㎠)보다 우수한 출력 특성(0.85 W/㎠)과 내구성을 보였으며, 수소차의 구동환경을 모사해 연료전지 내부의 습도 변화를 반복하는 실험에서 21,000회 반복 후에도 크로스오버가 일어나지 않아 수소차용 연료전지에 바로 적용할 수 있는 내구성을 갖는 것으로 확인

※ Nano Energy 게재(2022.07.08.), “Perpendicularly Stacked PTFE Framework as a Reinforcement for Highly Durable Composite Membrane in Proton Exchange Membrane Fuel Cells”

※ 한국연구재단 개인기초연구사업 지원