[광주=광주타임즈]곽상원 기자=광주과학기술원(GIST)은 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀이 한국전력공사 전력연구원과 공동 연구로 흑연나노섬유를 이용해 수소연료전지 공기극의 물 관리 문제를 개선하는데 성공했다고 밝혔다.

수소연료전지는 애노드(anode)에서 수소산화반응이, 캐소드(cathode)에서 산소환원반응이 일어나는 친환경 고효율 발전장치다.

연료로 주입하는 수소는 수소이온과 전자로 분해된다. 분해된 전자는 외부회로를 통해 전기를 생산하고, 수소이온은 수소이온교환막을 통해 상대극의 공기 속 산소와 반응하고 물을 생산한다.

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 방해해 수소연료전지의 심각한 성능 저하 요인으로 작용한다.

연구팀은 전기방사법을 이용해 탄소나노섬유를 합성했고, 이를 2500도의 초고온에서 열처리해 탄소를 흑연화했다.

이어 흑연나노섬유를 백금/탄소 촉매와 혼합해 고분산 촉매 잉크를 제조했고, 이를 스프레이 법으로 전극을 구성했다.

연구팀에서 개발한 흑연나노섬유가 도입된 수소연료전지 전극은 기존의 백금/탄소 전극만을 사용한 것과 비교해 과량의 물의 자발적 배출과 공기 속 산소의 공급을 원활하게 하는 역할을 했다.

이는 촉매층 내부의 흑연화된 탄소나노섬유가 갖는 소수성 표면과 높은 전기전도도에 기인한 것임을 규명했다.