KIST, 연료전지 전해질막 및 막전극접합체 개발 세계 최고 성능 및 내구성..중대형 상용차 등 적용
한국과학기술연구원(KIST)은 250도 이상의 고온에서 구동할 수 있는 연료전지 전해질막과 막전극접합체를 개발했다. KIST 제공
낮은 온도에서 작동하는 수소연료전지를 고온에서 구동하도록 돕는 새로운 소재가 개발됐다. 앞으로 중대형 상용차와 도심항공모빌리티(UAM), 잠수함 등 다양한 친환경 모빌리티 분야에 활용할 수 있을 전망이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 이소영·남석우 박사 연구팀이 김형준 한국에너지공대 교수 연구팀과 공동으로 꿈의 온도로 불리는 250도 이상 고온에서 구동할 수 있는 연료전지 전해질막과 막전극접합체(MEA)를 개발했다고 30일 밝혔다.
MEA는 연료전지의 전해질막과 전극이 접합된 부품으로, 수소와 산소가 반응해 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산한다. 연료전지 스택 원가의 40%를 차지해 제조 단가를 낮추기 위한 기술 개발이 활발히 이뤄지고 있다.
현재 80도 정도의 저온에서 작동하는 수소연료전지는 자동차용으로 상용화됐지만, 고온에서 구동된다면 지금보다 시스템 크기를 줄이고 에너지밀도를 높일 수 있어 다양한 분야에서 적용할 수 있다.되고 있다.
연구팀은 자가조립형 세륨포스페이트 파라-폴리벤지이미다졸 고분자 전해질막을 설계해 막전극접합체를 구현했다. 이 막전극접합체는 250도에서 연료전지의 에너지밀도에 영향을 주는 수소 이온의 높은 이온전도성을 안정적으로 유지했다. 또 200도 이상에서 작동할 경우 고순도 수소가 아닌 메탄올과 수소저장유기물을 직접 연료전지에 공급할 수 있어 효율이 높고, 가솔린 등의 연료 인프라를 그대로 활용할 수 있어 높은 경제성을 가진다.
실제로, 250도 조건에서 최대 출력 밀도가 세계 최고 수준인 ㎠당 2.35W를 달성했고, 80∼160도 열사이클링 테스트에서는 기존 대비 10배 이상의 5000시간 이상의 장시간 운전이 가능함을 입증했다. 160∼240도 중고온 열 사이클링 테스트에서도 500시간 이상 성능 저하 없이 장시간 운전할 수 있었다.
이소영 KIST 박사는 "기존 전해질막보다 150∼300도 범위에서 뛰어난 전기화학적 성능과 내구성을 유지하는 데 성공했다"며 "중대형 운송수단에 탑재할 수 있으며, 지속적인 연구개발을 통해 작동 온도를 더 높여나갈 계획"이라고 말했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 에너지(지난 7월)'에 게재됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
