수소전기차 핵심소재인 연료전지, 고성능 분리막으로 국산화 앞당긴다
수소전기차 핵심소재인 연료전지, 고성능 분리막으로 국산화 앞당긴다
  • 한국과학경제
  • 승인 2019.10.23 19:30
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KIST, 열 경화를 통해 고성능의 새로운 고분자막(파라-폴리벤즈이미다졸) 개발
기존 전해질막보다 44% 높은 성능과 63% 낮은 전압손실 보여
[그림 1] 160 ℃에서 85 중량 % 인산 용액에 가열된 고분자막. 맨오른쪽이 이번 개발된 고분자막으로, 용해되지 않았다.
[그림 1] 160 ℃에서 85 중량 % 인산 용액에 가열된 고분자막. 맨오른쪽이 이번 개발된 고분자막으로, 용해되지 않았다.
[그림 2] (a) MS-p-PBI. (b) 열경화 된 c-MS-p-PBI를 사용한 고온연료전지의 작동 시간에 따른 성능 곡선
[그림 2] (a) MS-p-PBI. (b) 열경화 된 c-MS-p-PBI를 사용한 고온연료전지의 작동 시간에 따른 성능 곡선
KIST 헨켄스마이어 디억 박사
KIST 헨켄스마이어 디억 박사

 

한국과학경제=박정민 기자】 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 헨켄스마이어 디억 박사팀은 “고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)”의 핵심소재인 전해질막의 성능을 크게 높였다고 23일 밝혔다.

고온형 고분자 전해질막 연료전지(High Temperature-Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, HT-PEMFC)는 연료전지 장치 중, 이온전도성 고분자막을 이온전달 전해질로 사용하는 연료전지이다.

연료전지는 100℃ 이하의 온도에서 작동되는 저온형과 160~180℃의 온도에서 작동되는 고온형으로 나뉜다. 이중 고온형 연료전지는 작동 시 발생되는 열을 그냥 버리지 않고, 메탄올과 같은 연료를 수소로 변환시키는 공정에 사용하여 수소를 생산하고, 이 수소를 다시 연료전지 에너지원으로 재사용할 수 있다. 가격이 저렴하면서도 운반, 보관, 취급이 쉬운 메탄올은 수소변환 시 이산화탄소를 배출하지 않는다.

이러한 메탄올 개질기와 결합된 고온 연료전지는 발전기에 사용하면 기존의 디젤 발전기보다 이산화탄소 발생을 65%가량 줄일 수 있는 큰 장점이 있다.

고온형 연료전지가 널리 상용화되기 위해서는 높은 전력밀도와 긴 내구성이 필요하다. 보통 고온형 연료전지에는 이온전도도를 높이기 위해 인산이 첨가된 폴리벤즈이미다졸*(PBI, PolyBenzImidazole)계 전해질막이 사용된다. 그러나 기존의 폴리벤즈이미다졸계 분리막은 연료전지가 작동되는 고온에서 인산에 용해되는 심각한 문제가 있었다.

KIST 연구진은 고분자막의 안정성과 전도성을 획기적으로 개선하기 위해, 설폰산기*를 폴리벤즈이미다졸에 부착시킨 후 열을 가해, 고온에서 부서지지 않는 단단한 고분자막을 만들었다. KIST 연구팀이 개발한 새로운 분리막은 160˚C의 인산에서도 용해되지 않았으며, 기존의 다른 분리막보다 44% 더 높은 전도성과 전력밀도를 보였다. 또한 시간에 따른 전압감소도 63% 더 낮아 우수한 내구성을 보여주었다.

KIST 헨켄스마이어 디억 박사는 “고온용 고분자 전해질막은 수소전기차용 연료전지의 핵심소재이나 기술적인 장벽이 높아 현재는 소수의 국가에서만 생산 가능한 실정”이라며, “이번 연구결과를 통해 전해질막의 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 수행된 KIST 주요사업과 덴마크 혁신 기금·한국 녹색 기술 센터가 지원한 KD 연료전지 프로젝트로 수행되었으며, 'Journal of Membrane Science'(IF: 7.02, JCR 분야 상위 1.72%) 최신호에 게재되었다.

■용어설명

*PBI(폴리벤즈이미다졸, PolyBenzImidazole): 열적, 화학적인 안정성이 매우 뛰어나 방화복이나 우주복 등에 쓰이는 고분자 재료

*설폰산기 : 황산 분자에서 하이드록시기가 떨어져 나간 구조의 원자단


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