국내 연구진이 연료전지의 분리막 전도성을 기존보다 44% 개선했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 헨켄스마이어 디억 수소·연료전지연구단 박사 연구팀이 고온형 고분자 전해질 연료전지의 핵심소재인 전해질막의 성능을 높이고 전압손실은 낮춘 Para-PBI(Polybenzimidazole)를 개발했다고 10월24일 밝혔다.
연료전지는 100℃ 이하에서 작동하는 저온형과 180℃ 부근에서 작동하는 고온형으로 구분하며 고온형은 작동 시 발생하는 열을 버리지 않고 메탄올(Methanol)과 같은 연료를 수소로 변환하는 공정에 사용해 수소를 생산하고 해당 수소를 다시 연료전지 에너지원으로 재사용하고 있다.
저렴하고 운반이 쉬운 메탄올은 수소변환 시 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않아 메탄올 개질기와 결합된 고온 연료전지는 기존 디젤 발전기보다 이산화탄소 발생을 65%나 줄일 수 있다.
연구팀이 집중한 고온형 고분자 전해질막 연료전지는 이온전도성 고분자막을 이온전달 전해질로 사용하는 것으로 알려졌다.
고온형 연료전지를 상용화하기 위해서는 높은 전력밀도와 내구성이 필요하며 기존에도 이온전도도를 높이기 위해 인산이 첨가된 PBI계 전해질막을 사용해왔으나 PBI계 분리막이 고온에서 인산에 용해되는 과제가 있었다.
KIST 연구진은 고분자막의 안정성과 전도성을 높이기 위해 황산 분자에서 하이드록시기가 떨어져 나간 구조의 원자단인 설폰산(Sulfonic Acid)기를 PBI에 부착하고 열을 가해 고온에서 부서지지 않는 단단한 고분자막을 만들었다.
새로운 분리막은 160˚C의 인산에서도 용해되지 않았으며 기존 다른 분리막보다 44% 더 높은 전도성과 전력밀도를 나타냈고 시간에 따른 전압감소도 63% 더 낮아 내구성 개선에도 성공한 것으로 평가되고 있다.
KIST 헨켄스마이어 디억 박사는 “고온용 고분자 전해질막은 수소전기자동차용 연료전지 핵심소재이나 기술적인 장벽이 높아 현재 소수의 국가에서만 생산이 가능하다”면서 “연구결과를 통해 전해질막의 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 강조했다.
연구는 과학기술정보통신부 지원 KIST 주요사업과 덴마크 혁신기금·한국녹색기술센터가 지원한 사업으로 수행됐으며 멤브레인 사이언스 저널(Journal of Membrane Science) 최신호에 게재됐다. (K)