‘고성능 분리막’ 개발…수소車 연료전지 국산화 앞당긴다

KIST, 열 경화로 고성능 고분자막 개발…기존 전해질막보다 44% 높은 성능·63% 낮은 전압손실 보여

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 헨켄스마이어 디억 박사 연구팀이 ‘고온형 고분자 전해질 연료전지’(HT-PEMFC)의 핵심소재인 전해질막의 성능을 크게 높였다고 24일 밝혔다. 고온형 고분자 전해질 연료전지는 이온전도성 고분자막을 이온전달 전해질로 사용한다.

연료전지는 100℃ 이하 온도에서 작동되는 ‘저온형’과 160~180℃의 온도에서 작동되는 ‘고온형’으로 나뉜다.

160 ℃에서 85 중량 % 인산 용액에 가열된 고분자막. 맨오른쪽이 이번 개발된 고분자막으로, 용해되지 않았다/사진=KIST

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 상용화되려면 높은 전력밀도와 긴 내구성이 필요하다.

보통 고온형 연료전지에는 이온 전도도를 높이기 위해 인산이 첨가된 폴리벤즈이미다졸계 전해질막이 사용된다. 열적·화학적 안정성이 뛰어나 방화복이나 우주복 등에 쓰이는 고분자 재료다.

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

KIST 헨켄스마이어 디억 박사/사진=KIST

연구진은 고분자막의 안정성·전도성을 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. 또 시간에 따른 전압감소도 63% 더 낮아 우수한 내구성을 보여줬다.

헨켄스마이어 디억 박사는 “고온용 고분자 전해질막은 수소전기차용 연료전지의 핵심소재이나 기술적인 장벽이 높아 현재는 소수의 국가에서만 생산 가능한 실정”이라며 “이번 연구결과를 통해 전해질막의 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.