한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 수소·연료전지연구단의 이소영 박사, 남석우 박사(청정수소융합연구소장)팀이 김형준 한국에너지공과대학교 교수팀과 꿈의 온도라 불리는 250도 이상 고온에서 구동할 수 있는 독자적인 연료전지 전해질막 및 막전극접합체(MEA)를 개발했다고 밝혔다.
최근 자동차, 무인 항공기 등 모빌리티 산업에서 장시간 안정적인 에너지 공급 장치에 대한 수요가 높아지고 있다.
기존 상용 배터리와 달리 에너지밀도가 높은 수소를 활용한 수소연료전지 시스템은 친환경 에너지원으로 많은 관심을 받고 있다. 현재 80도 정도 저온에서 작동하는 연료전지는 자동차용으로는 상용화에 이르렀으나, 고온에서 구동된다면 지금보다 시스템의 크기를 줄이고 에너지밀도를 높일 수 있어 다양한 모빌리티 분야로 적용을 확대할 수 있다.
연구진은 이번 연구에서 KIST의 세륨포스페이트 자가조립 기술에 한국에너지공과대학교의 파라-폴리벤지이미다졸(p-PBI) 합성 기술을 접목한 신규 합성법을 개발, 기존 PBI 기반 전해질막보다 150~300도 범위에서도 뛰어난 전기화학적 성능과 내구성을 유지하는 데 성공했다.
연구팀은 자가조립형 세륨포스페이트 파라-폴리벤지이미다졸 고분자 전해질막을 설계해 막전극접합체(MEA)를 구현했다.
이를 한 반응기 안에서 파라-폴리벤지이미다졸과 세륨 수소 인산염(CeHP)을 결합해 온도 상승에 따른 자가조립이 가능한 새로운 고분자 전해질막을 설계했다. 그 결과, 250도에서도 연료전지의 에너지밀도에 영향을 미치는 수소 이온의 높은 이온전도성을 안정적으로 유지할 수 있었다.
또 200도 이상에서 작동 시, 고순도 수소가 아닌 메탄올과 수소저장유기물(LOHC)를 직접 연료전지에 공급할 수 있어 효율이 높아지고, 가솔린 등의 연료 인프라를 그대로 활용 가능하다는 장점까지 확보돼 높은 경제성과 지속성을 제공할 수 있다.
이번에 개발한 'SAN-CeHP-PBI' 기반의 연료전지는 250도 조건에서 최대 출력 밀도가 세계 최고 수준인 2.35 W/㎠를 달성했으며, 80~160도 열 사이클링 테스트에서 기존 대비 10배 이상의 5000시간 이상의 장시간 운전이 가능함을 입증했다.
또 160~240도 중고온 열 사이클링 테스트에서도 500시간 이상 성능 저하 없이 장시간 운전이 가능함을 확인했다.
남석우 소장은 “이번 연구 결과는 해외 선진국들의 성과를 넘는 혁신적 성과이며, 글로벌 TOP 전략연구단의 핵심 기술로 미래 에너지의 핵심이 될 수소연료전지 기술의 글로벌 패권을 선도할 것으로 기대된다”고 밝혔다. KIST 이소영 박사는 “중대형 운송수단에 탑재 가능할 것으로 예상하며, 지속적인 연구개발을 통해 작동온도를 더 향상시킬 계획이다”라고 말했다.
김형준 교수는 “이 시스템은 다양한 산업에 걸쳐 지속 가능한 에너지원으로 자리매김하고 중대형 상용차, 도심 항공 모빌리티(UAM), 잠수함 등에 적용해 친환경 모빌리티 생태계 조성을 앞당길 것”이라고 말했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
