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▒ 2007년 3월 7일~9일 예정으로 미국 마이애미에서 개최된 연료전지 관련 국제 학회인 [Small Fuel Cell 2007]에 발표된 연료전지 기술을 몇 가지 종합하여 소개한다.
도시바는 현재 자체적으로 개발 중인 직접 메탄올 방식(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 연료전지의 특성을 향상시키기 위해 추진해 온 기술 사례에 대해 보고하였다. 이 강연에서는 우선 도시바가 시제품으로 제작한 음악재생 플레이어, 휴대전화기, 헤드셋, 노트북 등이 소개되었으며, 이 중 음악재생 플레이어와 휴대전화기, 헤드셋은 패시브형이다. 즉, 기기 내에 내장된 연료 탱크에 연료를 주입하는 방식이다. 한편, 노트북은 액티브형이며 연료 카트리지를 탈착하는 방식이다.
강연에서는 카본 나노튜브와 Pt-Fe-N계 촉매, 전해질 막의 표면 개질 등의 방법으로 DMFC의 특성을 높이기 위해 시행된 기술 개발 결과들도 소개되었다. 카본 나노튜브는 캐소드 쪽에 Pt 촉매의 담체로서 이용되며, 결과적으로 공기의 유량이 적을 때 성능 향상을 도모할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 1분당 공기 유량이 5mL/㎠로 적은 경우에 셀의 전압을 0.45V 이상으로 높일 수 있었다. 이 값은 카본 나노튜브를 담체로 사용하지 않는 경우에 비해 0.03V 이상 높아진 것이다. 또한, Pt-Fe-N계 촉매를 캐소드 쪽에 이용하여, 지금까지 사용해 오던 Pt 촉매나 Pt-Fe 촉매에 비해 고전류밀도 영역에서 전압 강하를 억제할 수 있는 결과를 얻었다.
또한 미국의 듀퐁사가 생산하고 있는 대표적인 불소계 전해질막인 [Nafion]의 표면 개질을 실시하여 메탄올 크로스오버 등의 문제를 막고 특성을 향상시킬 수 있었다는 사례도 소개되었다. 새로 개발된 표면 개질법이란, HN=C(NH2)2를 0.02wt% 첨가함으로써 메탄올의 투과 특성과 프로톤 전도성을 모두 높일 수 있는 기술이다.
한편, SII사는 메탄올 대신 보로하이드라이드의 일종인 NaBH4를 사용하는 연료전지에 대해 발표하였다. SII사가 개발하고 있는 연료전지의 특징은 NaBH4에 사과산 수용액을 적하하여 생성된 수소를 연료로 사용한다는 점이다. 5장의 발전 셀로 구성되어 있으며, 전원전압은 11.1V, 전력용량은 20Wh로, 정격 출력이 10W인 기기인 경우 2시간 동안 동작이 가능한 수준이다. SII사는 앞으로 NaBH4 이외에도 수소 발생량이 더욱 많은 암모니아 보란(NH3BH3) 등의 재료를 사용한 연료전지의 개발을 진행해 나갈 예정이다.
그 이외에의 DBFC(Direct Borohydride Fuel Cell) 방식 연료전지에 대해서는 프랑스 CEA의 연구 기관인 [LITEN]도 관련 기술을 발표하였다.
발표된 연료전지는 DMFC에서 사용하는 양이온 교환막이 아닌 음이온 교환막을 이용하는 특징을 가지고 있다. 애노드 쪽에 Pt 촉매를 사용하고 캐소드 쪽에는 Pt/C과 Co 촉매를 이용하여 제작하였다. 이 셀의 애노드 쪽에는 NaBH4를 NaOH에 혼합한 연료를 공급하고 캐소드 쪽에는 공기를 공급한 경우에 얻은 최대 출력 밀도는 120mW/㎠이다.
LITEN의 발표에 의하면, 애노드 쪽에서 NaBH4와 물이 반응하여 수소가 발생하는 문제가 성능 저하의 요인인 것으로 분석하고, 애노드 쪽에 수소가 발생하기 어려운 촉매를 이용하는 연구를 진행한 결과, Pt-Ni 촉매를 이용하면 애노드 쪽에서의 수소 발생량을 Pt 촉매에 비해 1/10 수준으로 줄일 수 있음을 확인하였다.
<출처> KISTI 글로벌동향브리핑(GTB), 2007-03-14
Nikkei Electronics(日), 2007/03/13 15:01
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