화학연구원, 수소 자동차 핵심 연료전지 기술 국산화

무공해 자동차 시대 연다 
미국, 일본, 독일 등 몇 개 선진국만 가지고 있던 수소자동차 연료전지 전해질 PFSA 기술 국산화

한국화학연구원은 박인준, 소원욱, 손은호 박사팀이 상명대 박진수 교수, 단국대 이창현 교수팀과 함께 수소자동차 연료전지의 핵심 재료인 전해질 물질을 국내에서 처음으로 개발했다고 17일 밝혔다.

친환경 자동차로 주목받고 있는 수소자동차는 환경오염 물질을 배출하지 않아 자동차가 최종적으로 지향해야 할 모델로 꼽힌다. 하지만 아직 수소자동차 구동의 핵심인 수소 저장·운반기술, 연료전지 기술 등이 부족해 관련 기술 개발이 필요한 상황이다.

수소자동차는 연료전지에서 수소와 산소의 화학적 반응으로 물이 배출되고 전기가 생성되는 원리로 움직인다. 따라서 연료전지 내의 수소를 통과시켜 산소와 반응을 일으키게 하는 분리막과 전해질 물질이 중요하다.

분리막과 전해질의 종류에는 여러가지가 있지만, 현재 가장 성능이 좋은 것은 구멍이 많은 분리막 소재의 빈 공간에 ‘과불소계 술폰산 이오노머’(Perfluorinated Sulfuric Acid Ionomer, PFSA) 전해질을 투입해 만든 형태가 유일하다.

이 물질을 만들 수 있는 기술은 공정이 복잡하고 까다로워 전세계 몇 개 기업만 보유하고 있다. PFSA를 만들기 위해서는 기초 원료로부터 아홉 단계의 공정을 설계·운영해야 하는데 전 공정이 적은 양의 수분도 용납하지 않는 민감한 무수분 공정이다.

또 공정의 첫 단계 기초 원료인 불소 에틸렌(TFE)도 폭발성이 강하고 이송이 불가능해 만들기 어렵다. 공정에 쓰이는 불소계 개시제도 극저온에서 만들어서 바로 써야 한다는 어려움이 있다. 이러한 이유로 PFSA 기술은 국내에서 개발되지 못했고 지금까지 글로벌 기업 듀폰사 제품이 관련 시장 대부분을 점유해왔다.

연구원 박인준 박사팀은 30여년간 축적한 불소계 화합물 제조 기술 역량을 바탕으로, 3년 연구 끝에 기초 원료 물질 제조 기술, 원료 물질로부터 PFSA 전단계 물질인 단량체를 합성하는 공정, 불소 고분자를 중합하는 공정, 최종 결과물로 변환하는 공정 등 9단계의 공정 전부를 개발했다. 상명대, 단국대 연구팀은 개발된 물질의 물성 및 성능을 평가하고, ㈜시노팩스와 코멤텍은 분리막 적용과 성능 평가를 수행했다.

이 기술은 상업 공정 적용이 가능한 하루 5kg 생산 규모의 공정을 건설·운영해 얻은 기술로서, 향후 상용화에 직접 적용할 수 있다.

개발한 최종 결과물은 현재 가장 높은 시장점유율을 가진 듀폰사 제품과 견줄 수 있는 우수한 성능을 가지고 있다. 원료로부터 단량체가 나오는 비율 즉 단량체 수율이 57%이며, 단위 면적당 이온이 지나가는 양인 이온전도도와, 1kg에서 이온이 교환되는 수치인 이온교환능이 높다.

화학연구원은 향후 시제품의 장기 안정성 평가, 제조공정의 최적 가동 조건 검증 등을 거쳐 관련 기업에 기술이전 및 상용화를 추진할 계획이다.

수소자동차는 2015년 상용화 이후 출시가 늘어나 2022년에는 25만대가 생산될 것으로 예측되고 있으며, 세계시장은 1.1조원 규모로 예상된다.

연구책임자 박인준 박사는 “PFSA 제조 공정은 미국, 일본, 독일 등 단 몇 개 선진국가만 보유하고 있는, 모든 유기불소산업 기술이 융합되어야 하는 원천기술"이라며 "기술 수입도 불가능해 제품만 수입하고 있던 실정에서 기술을 자체 개발해, 앞으로 우리나라가 친환경 수소자동차 및 불소산업 분야의 선도국으로 도약하는 데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

이 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원 에너지 기술개발사업의 지원으로 수행되었다.

◆용어설명
*전해질 물질: 물 등의 용매에 녹아서 이온으로 해리되어 전류를 흐르게 하는 물질

*분리막: 여러 원소와 전해질이 혼합되어 있는 물질 중에서, 원하는 원소만 화학반응을 통해 분리할 수 있는 막소재

*과불소계 술폰산 이오노머: 막에서 이온의 투과 정도: 전체가 다 불소(F)로 된 고분자와 말단 술폰산 기로 구성된, 이온 전달 역할을 하는 소재

*에틸렌 : 석유화학공업의 가장 기본적인 물질로서 현대 의식주에 필요한 합성섬유, 합성수지, 합성도료 등을 만드는 데 폭넓게 사용된다.

테트라플루오르에틸렌은 불소로 이루어진 에틸렌을 뜻한다.

*개시제 : 어떤 반응을 시작(개시)하게 하는 화합물

[e-mail] 조석장 기자