내구성 10배, 비용은 3천분의 1.. 수소생산 핵심기술 나왔다

KIST·한양대 연구팀 개발
기존 '수전해' 부품 단점 극복
음이온교환막 막전극접합체
분리판, 티타늄 대신 철 사용
수소연료전지 등에 응용 가능

KIST 이소영 박사가 이음이온교환막 수전해용 막전극접합체(MEA)를 결합한 세계 최고성능 및 고내구성 차세대 음이온 교환막 수전해 장치 시스템으로 테스트를 진행하고 있다. KIST 제공

현대차그룹이 지난달 3세대 수소연료전지의 핵심부품 내구성 문제로 개발일정 차질이 불거진 가운데, 국내 연구진이 내구성과 성능을 높이면서 소재단가를 낮출 수 있는 부품을 개발했다.

이 부품은 비귀금속 촉매를 사용하고, 분리판 소재 등을 티타늄이 아닌 철 소재로 대체할 수 있다. 이렇게 되면 기존 부품 대비 약 3000분의 1 정도로 제조비용을 낮출 수 있다고 연구진은 설명했다. 이번 연구성과는 수소연료전지의 경제성 문제를 해결할 수 있는 단초를 제공할 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 이소영 박사팀과 한양대학교 에너지공학과 이영무 석좌교수팀은 물에서 수소를 뽑아내는 장치의 내구성과 성능을 높이는 부품을 개발했다. 이 부품은 물에서 수소를 만들때 사용하는 부품이지만 원리가 수소연료전지 역방식이어서 적용 가능할 것으로 보고 있다.

이 부품은 수소 이온이 통과하는 막으로 '음이온교환막 막전극접합제(MEA)'다. 현재 사용하고 있는 수소연료전지는 수소 이온이 통과하는 막이 '양이온교환막 막전극접합제(MEA)'인데 연구진은 음이온교환막 MEA를 만들었다.

이소영 박사는 3일 "현재 상용화된 양이온교환막 수전해용 MEA를 대체할 수 있는 부품"이라고 설명했다. 또한 이무영 교수는 "개발된 소재는 수전해 뿐 아니라, 수소연료전지, 차세대 수소산업인 이산화탄소 자원화 및 직접 암모니아 연료전지의 핵심소재로 응용이 가능하다"고 말했다.

연구진이 개발한 음이온교환막 수전해용 MEA는 1000시간 이상 사용해도 성능이 떨어지지 않았다.

이소영 박사는 "최근 해외서 발표된 성과들은 음이온 MEA의 내구성이 100시간 정도로 기존 음이온교환막의 한계를 넘었다는 것에 의의가 있다"고 설명했다. 또한 기존에 만들어진 음이온 MEA 대비 6배 이상, 양이온 MEA 대비 1.2배 이상 수소를 생산해냈다.

음이온 MEA를 이용한 수전해 장치 시스템은 세계 최고의 셀 성능인 7.68A/㎠를 보였다. 이는 고가의 양이온 MEA로 만든 수전해 장치의 셀 성능인 6A/㎠보다 높다.

연구진은 이번에 개발한 부품을 토대로 보다 넓은 MEA 제작 기술을 확보하기 위해 추가연구를 진행하고 있다. 이번 연구과정에서 좀 더 성능이 우수한 소재를 찾아냈다고 귀뜸했다. 이소영 박사는 "공장에서 대면적으로 제작할 수 있는 공정개발과 함께 1000시간을 넘어 1만시간까지 사용할 수 있는 부품을 목표로 연구하고 있다"고 말했다.

연구진은 이번 연구에서 얻은 기술 2건의 특허를 출원 중이며, 관련 기업의 기술자문 및 기술 이전 문의를 받고 있는 상황이다.

한편, 현재 물에서 수소를 만드는 장치도 수소연료전지 만큼 부품의 성능과 소재비용 문제를 해결해야 한다. 이 기술이 확보되면 수소 인프라 확충에도 도움이 된다.

현재 수소 사용하고 있는 수소는 화석연료에서 나오는 부생가스로 가격이 ㎏당 평균단가가 8430원이다. 정부는 2030년 ㎏당 3500원, 2050년에는 2500원으로 낮춘다는 목표를 두고 있다.