수소전기차용 연료전지 핵심소재 효율 높였다

2019.10.24 12:00
한국과학기술연구원(KIST)은 헨켄스마이어 디억 수소연료전지연구단 책임연구원 연구팀이 기존 전해질막보다 44% 높은 전도성과 63% 낮은 전압 손실을 가진 전해질막을 개발했다고 24일 밝혔다. KIST 제공
한국과학기술연구원(KIST)은 헨켄스마이어 디억 수소연료전지연구단 책임연구원팀이 기존 전해질막보다 44% 높은 전도성과 63% 낮은 전압 손실을 가진 전해질막을 개발했다고 24일 밝혔다. KIST 제공

국내 연구팀이 수소전기차용 연료전지의 핵심소재인 고온용 고분자 전해질막의 성능과 효율을 높이는데 성공했다. 기술 장벽이 높아 소수의 국가에서만 생산이 가능했던 고온용 고분자 전해질막의 국산화에 도움이 될 것으로 기대된다.


한국과학기술연구원(KIST)은 헨켄스마이어 디억 수소연료전지연구단 책임연구원팀이 기존 전해질막보다 전기가 통하는 성질(전도성)이 44% 높고 전압 손실은 63% 적은 고효율 전해질막을 개발했다고 24일 밝혔다.


연료전지는 섭씨 100도 이하의 온도에서 작동하는 저온형과 섭씨 160~180도의 온도에서 작동하는 고온형으로 나뉜다. 고온형 연료전지는 작동하면서 발생되는 열을 그냥 버리지 않고 메탄올과 같은 연료를 수소로 변환시키는 공정에 사용할 수 있다. 이를 통해 생산된 수소는 다시 연료전지 에너지원으로 사용가능하다. 특히 메탄올은 가격이 저렴하고 운반 및 보관, 취급이 쉬우며 수소변환 시 이산화탄소를 배출하지 않는다는 장점이 있다. 


이런 고온형 연료전지를 상용화하기 위해서는 높은 전력밀도와 내구성이 필요하다. 이를 위해 고온형 연료전지에 인산이 첨가된 폴리벤즈이미다졸계 전해질막이 사용된다. 하지만 이 전해질막은 연료전지가 작동되는 고온에서 인산에 용해돼 쉽게 망가지는 한계가 존재한다.


연구팀은 이런 한계를 개선하기 위해 황산 분자에서 하이드록시기가 떨어져 나간 구조의 원자단인 ‘설폰산기’를 이용했다. 설폰산기를 폴리벤즈이미다졸에 부착한 후 열을 가해 고온에서 부서지지 않는 고분자막을 만들었다. 이 분리막은 섭씨 160 도의 인산에서도 용해되지 않고, 기존 분리막보다 44% 높은 전도성과 전력밀도를 보여줬다. 시간이 지나 전압이 떨어지는 정도는 기존보다 63% 더 낮았다. 


디억 연구원은 “고온용 고분자 전해질막은 수소전기차용 연료전지의 핵심소재이지만 기술적인 장벽이 높아 현재는 소수의 국가만 생산할 수 있다”며 “이번 연구결과를 통해 전해질막의 국산화에 기여할 것”이라고 말했다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘멤브레인 사이언스 저널’ 15일자에 발표됐다.

 

160 ℃에서 85 중량 % 인산 용액에 가열된 고분자막이다. 맨오른쪽이 이번 개발된 고분자막으로 용해되지 않았다. KIST 제공
160 ℃에서 85 중량 % 인산 용액에 가열된 고분자막이다. 맨오른쪽이 이번 개발된 고분자막으로 용해되지 않았다. KIST 제공


 

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