상용화시 수소연료전지 가격 1/10로 낮춰

에너지추출 관련 신기술 분야 등에 응용 가능

최근 답보 상태를 보이고 있는 연료전지 실용화 연구의 패러다임을 바꿀 획기적인 연구가 나와 화제가 되고있다.

최근 국내 연구팀이 고온(120℃), 저가습(35%) 조건에서도 장기간 연료전지 작동이 가능한 저가의 탄화수소계 고분자전해질 분리막을 세계 최초로 개발에 성공했다.

한양대학교 공과대학 에너지공학과 이영무 교수팀이 개발한 이 연료전지분리막은 분리막 가격을 1/10수준으로 낮추고 수소연료전지 상용화의 걸림돌을 해소해 줄 것으로 기대를 모으고 있다.

그동안 수소연료전지용 분리막은 가격이 높고 낮은 열적 안정성으로 인해 사용온도가 80~90℃ 정도인 불소계 분리막을 사용해 왔다. 하지만 수소연료전지 구동시 차량이나 가정용 연료전지 룸의 온도가 120℃ 이상 올라가게 되는데 이를 막기 위해 별도의 냉각장치가 필요했고 가습을 위해 전극부에 가습장치를 부가적으로 갖춰야 하는 단점이 존재했다.

특히 연료전지시스템을 100℃ 이상의 고온으로 운전할 때는 촉매의 독성 감소 및 활성 증가로 인해 유리하고 비백금계 저가 금속도 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 기존의 불소계 분리막은 낮은 열적 안정성 인해, 탄화수소계분리막은 낮은 고온 성능으로 인해 각각 상용화에 걸림돌로 작용해 왔다.

연구진이 새롭게 개발한 고온 저가습용 비불소계 고분자전해질 연료전지분리막은 저가의 비불소계 고분자 분리막에 10~100나노미터(㎚)의 얇은 플라즈마 막을 씌운 후 막에 물이 들어가면 나노크랙이 만들어져 마치 선인장 표면의 기공(숨구멍) 같은 나노밸브를 만들게 설계했다.

기존 불소계 고분자전해질막은 120℃ 고온에서는 분해돼 작동 하지 못하는 반면 이번 플라즈마로 코팅된 비불소계 탄화수소 분리막은 고온에서도 성능 감소 없이 장시간 안정성을 확보해 100℃ 이하에서는 성능이 같고 가격은 1/10 가량 저렴한 것이 특징이다. 이 연구결과가 상용화되면 불소계 분리막의 단점을 극복함은 물론 연료전지시스템의 가격인하를 유도할 수 있을 전망이다.

전문가들은 이번 연구결과와 관련 지금까지 개발된 불소계 소재의 가격 및 성능 한계를 획기적으로 뛰어넘어 보급형인 소형 자동차나 가정용 수소연료전지를 만들 수 있는 돌파구를 마련한 것으로 평가하고 있다.

연구를 주도한 한양대 이영무 교수는 “온실가스 영향으로 지구가 이상기온에 시달리고 있어 공해 발생이 없는 신재생에너지로써 수소연료전지 개발이 절실한 상황”이라며 “이번에 개발한 나노크랙을 이용해 만든 자가가습 분리막을 활용해 청정 수소에너지를 이용한 보급형 연료전지 차량과 가정용 연료전지 시스템을 만들면 차세대 원천기술로서 획기적 전기가 마련될 것”이라고 말했다.

또한 이 교수는 “이번 분리막 기술은 해수(바닷물)로부터 에너지를 생산하는 역전기투석공정(Reverse Electrodialysis)용 분리막 기술공정은 물론 미래 중요한 국가주도 에너지 산업인 에너지하베스팅(Energy harvesting)용 분리막 공정에도 응용이 가능할 것”이라고 덧붙였다.

현재 국내에서는 연료전지분리막 국산화를 위해 불소계, 탄화수소계 모두 개발되고 있으나 아직 상용화 단계까지 이르지 못한 상황이다. 불소계는 세계 4번째 ‘PTFE’ 원천기술을 확보한 코멤텍이 시

노펙스와 컨소시엄을 구성해 지난해 8월부터 에기평 국산화 과제를 수행하고 있다. 아울러 탄화수소계 분리막 연구개발은 코오롱그룹이 주도하고 있으며 코오롱FM은 2010년부터 정부의 ‘WPM’ 과제 중 하나인 ‘연료전지용 탄화수소계 강화복합막 개발’에 나서 현재 2단계 사업을 추진 중이다.

한편 미래창조과학부 한국연구재단 ‘나노소재기술개발사업’의 지원으로 진행된 이번 연구는 한양대 생명과학과 김태욱 교수, 기계공학과 김덕수 교수와 연구원들이 참여해 융합연구로 진행했으며 연구결과는 세계 최고의 학술지인 네이처(Nature) 지난 온라인 판에 게재됐다.