연료전지의 성능 향상을 위해서는 고분자 전해질막의 성능 개선이 필요하다.
고분자 전해질막이 갖춰야 할 기능
1. 높은 이온전도도
2. 낮은 기체 투과도
3. 높은 기계적 강도
4. 화학적 안정성
5. 낮은 수축팽창률
6. 저렴한 생산 단가
고분자 전해질막의 종류
불소계막
현재는 Nafion과 같은 성능과 내구성이 검증된 불소계막을 사용한다. 불소계막은 이온을 전달시키는 술폰산기의 몰당 필요한 고분자 질량인 당량이 낮은 특성을 가지고 있다. 따라서 술폰산기(SO3H)가 많고 이온전도도가 높은 특성을 보인다.
현재 생산단가와 성능을 향상하기 위해 불소계막의 두께를 얇게 만들려고 노력하고 있다. 전해질막이 얇아지면 이온전도 저항이 감소하게 되어 이온전도도가 더 향상되게 된다. 하지만 이는 기계적 강도와 내구성을 하락하기 때문에 장점만을 취할 수 있는 강화복합막을 사용한다.
* 강화복합막 : 다공성 재질에 이온전달고분자를 채워 넣은 것
이런 고효율 전해질막 재료와 두께, 기계적 강도 및 내구성 향상은 전해질막의 치수 안전성을 크게 향상하여 박막화를 가능하게 한다. 이는 고가의 이온전도체 사용을 줄여 단가를 낮추며, 가스 투과도가 낮아져 연료전지 성능 향상을 기대할 수 있게 된다.
자가가습막
자가가습막은 외부 가습기를 통해 수분을 공급하는 일반적인 고분자 전해질 연료시스템에 사용되는 전해질막이다. 자가가습막은 내구성이 이미 확보되었고 상업성이 있어 현재 필드에서 사용 중에 있지만 전해질막에 가해지는 수분의 양에 따라 성능변화가 생기는 단점이 존재한다.
많은 물이 전극에 들어오는 경우에는 전극의 기공을 막아 반응 연료의 이동 통로를 방해한다. 이는 연료전지 성능 저하를 일으키고 Flooding의 원인이 된다.
* Flooding : 전극층 부근에 형성된 액상의 물 층이 산소 등 기체의 이동을 방해해서 생기는 성능 감소 현상
적은 물이 전극에 들어오는 경우에는 막이 건조하게 되어 이온 전달 저항 증가로 이온전도도가 감소하게 되어 성능에 손실을 입게 된다.
따라서 막에 적절한 수분을 공급하기 위해서 가습기가 필요하고, 이를 관리할 복잡한 BOP 설비가 필요하게 된다.
자가가습막의 작동 원리
1. 수분을 함유할 수 있는 친수성 무기물을 전해질막에 첨가해 자가가습막을 제조
2. 자가가습막이 가습기로 공급된 수분을 함유
3. 만약 막에 수분이 과도하게 공급될 경우, 외부에서 상대습도를 낮추어 수분 공급을 감소시킴
4. 이온전도성을 유지하도록 위와 같은 사이클을 반복함
비가습 고온형 고분자 전해질막
자가가습막의 단점인 수분 관리를 해결하기 위해 개발 중인 전해질막이 비가습 고온형 고분자 전해질막이다. 인산을 여러 종류의 고분자 전해질막에 도핑하는 방식으로 제작된다. 자체적으로 이온전달 능력이 낮은 PBI(Polybenzimidazole)에 인산도핑을 통해 이온전도도를 향상한다. PBI으로 제작된 전해질막은 외부의 수분공급이 필요 없고 자체적으로 이온 전달이 가능해진다. 또한, 내열성이 존재해 고온에서 구동이 가능하다. 단점으로는 시간이 지남에 따라 인산이 누출되고 내구성이 저하되는 한계점을 가지고 있다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위한 연구들이 계속 진행 중에 있다.
연료전지의 구동온도는 -60~70°C로 전해질막 특성에 의해 결정된다. 이를 고온형 고분자 전해질막을 사용하면 구동온도 조절에 필요한 과정이 생략될 수 있게 된다. 연료전지의 구동 온도가 증가되어 150~200°C가 된다면 일산화탄소(CO)에 의한 백금 촉매 피독의 내성이 증가되어 CO가 백금입자 표면에 흡착되기 어려운 환경이 된다. 또한, 구동온도 상승으로 전극의 교환전류밀도가 증가하게 되고 연료전지 성능이 향상된다.
고온환경에서 비가습 고온형 고분자 전해질막을 이용해 연료전지를 구동하게 되면 이온 이동에서 수분의 양과 관계가 없어지게 된다. 전해질막이 수분과 관련이 없어지게 되어 가습기 자체가 불필요해지게 된다. 이로 인해 연료전지 시스템이 단순해지고 Flooding이 발생하지 않게 되어 반응 기체의 물질전달이 빨라지게 된다.
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