"수소연료전지 성능개선 성공" 수소트럭·비행기 시대 개봉박두

- KIST, 고온·무가습 조건 고분자전해질 수소연료전지 성능 향상

수소 트럭.[123RF]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 수소연료전지는 수소와 공기 중의 산소의 반응을 통해 전기 에너지를 만들어내는 장치로, 공해 물질을 배출하지 않아 친환경 전원 공급 장치로 주목받고 있다. 다양한 방식의 수소연료전지 가운데 이온교환이 가능한 고분자 막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 고성능을 요구하는 트럭, 지하철, 기차, 비행기, 선박 등에 사용될 수 있다. 그러나 100℃ 이상의 고온에서는 고분자 내 수분이 증발하면서 이온전도도가 감소하는 것을 방지하기 위해 별도의 냉각 시스템이 필요하고, 이로인해 증가되는 무게는 PEMFC의 효율성 저하로 이어진다. 냉각 시스템 없이 PEMFC를 사용하기 위해서는 80~200℃의 고온·무가습 조건에서의 성능 개선이 필요한 상황이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 물질구조제어연구센터 이성수 박사팀이 로스알라모스 연구소 김유승 박사팀과의 공동연구를 통해 고분자전해질 연료전지의 성능향상에 핵심역할을 하는 이오노머(이온 전도성이 있는 고분자)의 미세다공성 구조를 조절할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 19일 밝혔다.

복합 이오노머를 사용하면 물 없이도 이온전도가 가능하여 고온·무가습 조건에서 높은 수소연료전지 성능을 보이게 된다. 여기에 반응기체인 수소와 산소의 접근성을 높인다면 더 높은 성능 향상을 기대할 수 있다.

KIST-LANL 공동연구진은 복합 이오노머가 미세다공성 구조를 가지도록 하여 반응기체의 접근성을 유도했다. 복합 이오노머의 미세다공성 구조는 이를 분산시킨 촉매와 이오노머를 분산시킨 용매로 촉매 잉크를 만들어 전극 표면에 뿌리고 건조시키면 전극 표면에 촉매와 이오노머만 남게 된다.

용매에 달려있으며, 특히 분산 용매의 pKa(산의 세기)와 포스폰산 이오노머 미세다공성 구조 사이에 직접적인 상관관계가 있다는 것을 밝혀냈다. 이후 고온-수소연료전지의 성능평가를 통해 복합 이오노머의 미세다공성 구조가 연료전지의 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인했다.

이성수 박사는 “이번 성과는 고온-수소연료전지에서 이오노머 분산 용매의 pKa의 중요성을 발견한 것”이라며 “소형 이동 수단 뿐만 아니라 트럭이나 선박 등과 같은 대형 모빌리티로 수소연료전지의 활용처를 넓혔다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com