수소전기차의 심장, '연료전지' 국산화 앞당겨지나
수소전기차의 심장, '연료전지' 국산화 앞당겨지나
  • 강지희
  • 승인 2019.10.24 12:05
  • 조회수 1153
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160 ℃에서 85 중량 % 인산 용액에 가열된 고분자막. 맨오른쪽이 이번 개발된 고분자막으로 용해되지 않았다. 출처: KIST

한국과학기술연구원 수소·연료전지연구단 헨켄스마이어 디억 박사팀은 '고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)'의 핵심 소재인 전해질막의 성능을 크게 높였다고 합니다. 해당 연구는 <Journal of Membrane Science>에 게재됐습니다.

 

  • 고온 고분자 전해질막 연료전지?

수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 장치 중, 이온전도성 고분자막을 이온전달 전해질로 사용하는 연료전지를 '고분자 전해질막 연료전지'라고 합니다. 이런 고분자 전해질막 연료전지 중 120°C 이상에서 작동하는 연료전지를 특히 '고온 고분자 전해질막 연료전지'라고 부릅니다. 

하나를 바꿨더니 모든 게 변했다

 

연료전지는 100℃ 이하의 온도에서 작동되는 저온형과 160~180℃의 온도에서 작동되는 고온형으로 나뉩니다. 이중 고온형 연료전지는 작동 시 발생되는 열을 그냥 버리지 않고 메탄올과 같은 연료를 수소로 변환시키는 공정에 사용합니다. 이를 통해 수소를 생산하고 이 수소는 다시 연료전지 에너지원으로 사용할 수 있죠.

 

메탄올은 가격이 저렴하면서도 운반, 보관, 취급이 쉽습니다. 또한 수소변환 시 이산화탄소를 배출하지 않는데요. 메탄올 개질기와 결합한 고온 연료전지는 발전기에 사용하면 기존의 디젤 발전기보다 이산화탄소 발생을 65% 가량 줄일 수 있습니다.

MS-p-PBI(좌측)와 열경화 된 c-MS-p-PBI(우측)를 사용한 고온연료전지의 작동 시간에 따른 성능 곡선. 출처: KIST
MS-p-PBI(좌측)와 열경화 된 c-MS-p-PBI(우측)를 사용한 고온연료전지의 작동 시간에 따른 성능 곡선. 출처: KIST

그런데 고온형 연료전지가 널리 상용화되기 위해서는 높은 전력밀도와 긴 내구성이 필요합니다. 보통 고온형 연료전지에는 이온 전도도를 높이기 위해 인산이 첨가된 폴리벤즈이미다졸(PBI, PolyBenzImidazole)계 전해질막이 사용됩니다. 그러나 기존의 폴리벤즈이미다졸계 분리막은 연료전지가 작동되는 고온에서 인산에 용해가 되는 심각한 문제가 있었습니다. 

고온 고분자막 연료전지에서 고분자막에 따른 장기성능 비교. 새로운 멤브레인은 상용 meta-PBI를 포함한 다른 멤브레인보다 더 높고 안정적인 성능을 보여주었다 (붉은 점선). 출처: KIST<br>
고온 고분자막 연료전지에서 고분자막에 따른 장기성능 비교. 새로운 멤브레인은 상용 meta-PBI를 포함한 다른 멤브레인보다 더 높고 안정적인 성능을 보여주었다 (붉은 점선). 출처: KIST

KIST 연구팀은 고분자막의 안정성과 전도성을 획기적으로 개선하기 위해 설폰산기를 폴리벤즈이미다졸에 부착시켰습니다. 그 후 열을 가해 고온에서 부서지지 않는 단단한 고분자막을 만들었습니다. KIST 연구팀이 개발한 새로운 분리막은 160˚C의 인산에서도 용해되지 않았으며 기존의 다른 분리막보다 44% 더 높은 전도성과 전력밀도를 보였습니다. 또한 시간에 따른 전압감소도 63% 더 낮아 우수한 내구성을 가졌다고 합니다.

  • PBI(폴리벤즈이미다졸, PolyBenzImidazole)?

디페닐이소프탈레이트와 3, 3'-디아미노벤지딘의 중축합물을 말합니다. 군대와 우주 기술과 특별한 섬유를 위한 합성 물질에서 금속 아교로 사용됩니다.

  • 설폰산기?

황산 분자에서 하이드록시기가 떨어져 나간 구조의 원자단을 말합니다.

 

헨켄스마이어 디억 박사. 출처: KIST
헨켄스마이어 디억 박사. 출처: KIST

 

 

이번 연구를 주도한 KIST의 헨켄스마이어 디억 박사는 "고온용 고분자 전해질막은 수소전기차용 연료전지의 핵심소재이나 기술적인 장벽이 높아 현재는 소수의 국가에서만 생산 가능한 실정이다”라며 “이번 연구결과를 통해 전해질막의 국산화에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 전망했습니다.

 

 

 

 

 

 

##참고자료## 

 


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