'꿈의 온도' 250도서 작동하는 수소연료전지 기술
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수소연료전지가 작동할 수 있는 한계치인 250℃를 넘어선 온도에서도 수소연료전지가 가동되도록 만드는 핵심 소재가 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 이소영 수소‧연료전지연구단 책임연구원과 남석우 청정수소융합연구소장 연구팀이 김형준 한국에너지공대 교수 연구팀과 '꿈의 온도'로 불리는 고온인 250℃에서 구동할 수 있는 연료전지 전해질막과 막전극접합체(MEA)를 개발했다고 30일 밝혔다.
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수소연료전지가 작동할 수 있는 한계치인 250℃를 넘어선 온도에서도 수소연료전지가 가동되도록 만드는 핵심 소재가 개발됐다. 수소연료전지를 활용한 친환경 모빌리티 생태계를 구축하는 데 응용할 수 있다. 현재는 80℃에서 작동하는 자동차용 연료전지까지 상용화됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 이소영 수소‧연료전지연구단 책임연구원과 남석우 청정수소융합연구소장 연구팀이 김형준 한국에너지공대 교수 연구팀과 ‘꿈의 온도’로 불리는 고온인 250℃에서 구동할 수 있는 연료전지 전해질막과 막전극접합체(MEA)를 개발했다고 30일 밝혔다. 막전극접합체는 연료전지에서 전해질막과 전극이 결합한 구조다.
연구팀은 자가조립형 세륨포스페이트 파라-폴리벤지이미다졸 고분자 전해질막을 설계해 막전극접합체를 구현했다. 그 다음 한 반응기 안에서 파라-폴리벤지이미다졸(p-PBI)과 세륨 수소 인산염(CeHP)을 결합해 온도 상승에 따른 자가조립이 가능한 새로운 고분자 전해질막을 설계했다.
연구팀이 개발한 전해질막인 ‘SAN-CeHP-PBI’과 막전극접합체 조건에서는 250°C에서도 수소 이온의 높은 이온전도성이 안정적으로 유지됐다. 또 200°C 이상에서 작동할 땐 고순도 수소가 아닌 메탄올과 수소저장유기물(LOHC)을 직접 연료전지에 공급할 수 있었다.
SAN-CeHP-PBI 기반 연료전지는 250°C 조건에서 최대 출력 밀도가 단위면적(cm²)당 2.35W(와트)를 달성해 세계 최고 수준을 보였다. 80~160°C 열 사이클링 테스트에서는 기존 대비 10배 이상 긴 5000시간 이상의 장시간 운전이 가능했다. 160~240°C 중고온 열 사이클링 테스트에서도 500시간 이상 성능 저하 없이 작동했다.
남 소장은 ”이번 연구 결과는 해외 선진국들의 성과를 넘어섰다"며 "글로벌 TOP 전략연구단의 핵심기술로 미래 에너지의 핵심이 될 수소연료전지 기술의 글로벌 패권을 선도할 것“이라고 말했다.
연구팀은 이번에 개발한 전지가 중대형 운송수단에 탑재될 가능성이 있다고 평가했고 지속적인 연구개발을 통해 작동온도를 더 높일 계획임을 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 에너지’에 게재됐다.
<참고 자료>
doi.org/10.1038/s41560-024-01536-4
[문세영 기자 moon09@donga.com]
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