국내 연구진이 개발한 고성능 분리막으로 수소전기차 핵심소재인 연료전지 국산화를 앞당겨질 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단 헨켄스마이어 디억 박사팀이 고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)의 핵심소재인 전해질막 성능을 크게 높였다고 25일 밝혔다. 고온형 고분자 전해질막 연료전지는 이온전도성 고분자막을 이온전달 전해질로 사용하는 연료전지다.

연료전지는 100℃ 이하 온도에서 작동되는 저온형과 160~180℃ 온도에서 작동되는 고온형으로 나뉜다. 이중 고온형 연료전지는 작동 시 발생되는 열을 버리지 않고, 메탄올 같은 연료를 수소로 변환시키는 공정에 사용해 수소를 생산한다. 이 수소를 다시 연료전지 에너지원으로 사용할 수 있다. 가격이 저렴하고, 운반과 보관, 취급이 쉬운 메탄올은 수소변환 시 이산화탄소를 배출하지 않는다. 이러한 메탄올 개질기와 결합된 고온 연료전지는 발전기에 사용하면 기존 디젤 발전기보다 이산화탄소 발생을 65%가량 줄일 수 있는 큰 장점이 있다.

그런데 고온형 연료전지를 상용화하려면 높은 전력밀도와 긴 내구성이 필요하다. 보통 고온형 연료전지는 이온전도도를 높이려고 인산이 첨가된 폴리벤즈이미다졸(PBI, PolyBenzImidazole)계 전해질막을 사용한다. 그러나 기존 폴리벤즈이미다졸계 분리막은 연료전지가 작동되는 고온에서 인산에 용해되는 심각한 문제를 안고 있다.

KIST 연구진은 설폰산기를 폴리벤즈이미다졸에 부착시킨 후 열을 가해, 고온에서 부서지지 않는 단단한 고분자막을 만들었다. 연구진이 개발한 새로운 분리막은 160˚C 인산에서도 용해되지 않았다. 게다가 기존 분리막보다 44% 더 높은 전도성과 전력밀도를 보였다. 또 시간에 따른 전압감소도 63% 더 낮아 우수한 내구성을 보였다.

KIST 헨켄스마이어 디억 박사는 “고온용 고분자 전해질막은 수소전기차용 연료전지의 핵심소재다. 하지만 기술 장벽이 높아 현재 소수 국가에서만 생산하는 실정”이라며, “이번 연구가 전해질막 국산화에 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

이 연구결과는 '멤브레인 사이언스 저널' 최신호에 게재됐다.

박응서 테크엠 기자  gopoong@techm.kr