수소전기차 핵심소재 연료전지 국산화 앞당겨

KIST, 열 경화 통해 고성능 분리막 개발
박순주 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2019-10-24 11:21:54
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▲ <사진=한국과학기술연구원>
[환경미디어=박순주 기자] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 헨켄스마이어 디억 박사팀은 "고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)의 핵심소재인 전해질막의 성능을 크게 높였다"고 24일 밝혔다.

‘고온형 고분자 전해질막 연료전지(High Temperature - Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, HT-PEMFC)’는 연료전지 장치 중, 이온전도성 고분자막을 이온전달 전해질로 사용하는 연료전지를 말한다.

연료전지는 100℃ 이하의 온도에서 작동되는 저온형과 160~180℃의 온도에서 작동되는 고온형으로 나뉜다.

이중 고온형 연료전지는 작동 시 발생되는 열을 그냥 버리지 않고, 메탄올과 같은 연료를 수소로 변환시키는 공정에 사용해 수소를 생산하고, 이 수소를 다시 연료전지 에너지원으로 재사용할 수 있다.

가격이 저렴하면서도 운반, 보관, 취급이 쉬운 메탄올은 수소변환 시 이산화탄소를 배출하지 않는다. 이러한 메탄올 개질기와 결합된 고온 연료전지는 발전기에 사용하면 기존의 디젤 발전기보다 이산화탄소 발생을 65%가량 줄일 수 있는 큰 장점이 있다.

고온형 연료전지가 널리 상용화되기 위해서는 높은 전력밀도와 긴 내구성이 필요하다. 보통 고온형 연료전지에는 이온전도도를 높이기 위해 인산이 첨가된 폴리벤즈이미다졸(PBI, PolyBenzImidazole)계 전해질막이 사용된다.

PBI(폴리벤즈이미다졸, PolyBenzImidazole)는 열적, 화학적인 안정성이 매우 뛰어나 방화복이나 우주복 등에 쓰이는 고분자 재료이다.

그러나 기존의 폴리벤즈이미다졸계 분리막은 연료전지가 작동되는 고온에서 인산에 용해되는 심각한 문제가 있었다.

KIST 연구진은 고분자막의 안정성과 전도성을 획기적으로 개선하기 위해, 설폰산기를 폴리벤즈이미다졸에 부착시킨 후 열을 가해, 고온에서 부서지지 않는 단단한 고분자막을 만들었다.

KIST 연구팀이 개발한 새로운 분리막은 160˚C의 인산에서도 용해되지 않았으며, 기존의 다른 분리막보다 44% 더 높은 전도성과 전력밀도를 보였다.

또한 시간에 따른 전압 감소도 63% 더 낮아 우수한 내구성을 보여줬다. 설폰산기는 황산 분자에서 하이드록시기가 떨어져 나간 구조의 원자단을 말한다.

KIST 헨켄스마이어 디억 박사는 “고온용 고분자 전해질막은 수소전기차용 연료전지의 핵심소재이나 기술적인 장벽이 높아 현재는 소수의 국가에서만 생산 가능한 실정이다”라고 말하며, “이번 연구결과를 통해 전해질막의 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 수행된 KIST 주요사업과 덴마크 혁신 기금/한국녹색기술센터가 지원한 KD 연료전지 프로젝트로 수행됐다.

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