수소 자동차 넘어 트럭·비행기 시대로..수소연료전지 성능 향상법 발견

이오노머 분산 용매에 따른 양성화된 포스폰산 필름 모습과 전자현미경으로 살펴본 필름 미세구조 및 원소 분석

수소연료전지 가운데 이온교환이 가능한 고분자 막을 전해질로 사용하는 '고분자전해질 연료전지(PEMFC)'는 비교적 무게가 가볍고 시동 시간이 빨라 가정, 자동차용 전원으로 연구되고 있다.

PEMFC는 고성능을 요구하는 트럭, 지하철, 기차, 비행기, 선박 등에 사용될 수 있다. 그러나 100도 이상 고온에서는 고분자 내 수분이 증발하면서 이온전도도가 감소하는 것을 방지하기 위해 별도 냉각 시스템이 필요하고, 증가되는 무게는 PEMFC 효율성 저하로 이어진다. 냉각 시스템 없이 PEMFC를 사용하려면 80~200도 고온·무가습 조건에서의 성능 개선이 필요하다.

한국과학기술연구원(KIST)은 이성수 물질구조제어연구센터 연구원팀이 김유승 로스알라모스연구소(LANL) 연구원팀과 공동연구로 고분자전해질 연료전지 성능향상에 핵심 역할을 하는 이오노머 미세다공성 구조를 조절할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 19일 밝혔다. 이오노머는 이온 전도성이 있는 고분자다. 전극 내 수소 이온을 촉매 층으로 전달, 연료전지 성능을 높인다.

포스폰산(RPO3H2)을 함유하는 고분자와 설폰산(RSO3H)을 함유하는 고분자를 조합하면 산 세기가 더 센 설폰산의 수소가 포스폰산으로 전달되고, 양성자화된 포스폰산 이오노머가 형성된다. 이런 복합 이오노머를 사용하면 물 없이도 이온전도가 가능해 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 해 반응기체 접근성을 유도했다. 복합 이오노머 미세다공성 구조는 이를 분산시킨 용매에 달려있으며, 특히 분산 용매 pKa(산의 세기), 포스폰산 이오노머 미세다공성 구조 사이에 직접적인 상관관계가 있다는 것을 밝혀냈다. 이후 고온-수소연료전지 성능평가를 통해 복합 이오노머 미세다공성 구조가 연료전지 성능에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인했다.

이성수 연구원은 “이번 성과는 고온-수소연료전지에서 이오노머 분산 용매 pKa의 중요성을 발견한 것”이라며 “소형 이동 수단뿐만 아니라 트럭이나 선박 등과 같은 대형 모빌리티로 수소연료전지 활용처를 넓혔다”고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구는 미국 에너지부 Advanced Research Projects Agency-Energy, 과학기술정보통신부 소재혁신선도사업, KIST 주요사업으로 수행됐으며, 연구결과는 'ACS Energy Letters' (IF: 23.101, JCR 상위 3.302%)에 게재됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com