수소연료전지가 고온 견디며 5000시간 운전

KIST·한국에너지공과대, 전해질막과 막전극접합체 개발
250도에서 세계 최고 수준의 출력 밀도 2.35 W/㎠ 달성
80~160도에서 기존 연료전지보다 10배 이상인 5000시간 운전

KIST 연구진이 개발한 전해질막과 막전극접합체(MEA)로 수소연료전지 셀을 만들어 250도 이상의 고온에서 작동하는 실험을 하고 있다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 이소영·남석우 박사팀이 한국에너지공과대 김형준 교수팀과 함께 수소차에 쓰이는 연료전지보다 3배 높은 고온에서도 작동하는 연료전지 기술을 개발했다. 이 기술은 연료전지 시스템의 크기를 줄이고 에너지밀도를 높일 수 있어 자동차는 물론 무인항공기 등 다양한 모빌리티 분야에 적용할 수 있다.

30일 KIST에 따르면, 연구진은 250도 이상의 고온에서 작동할 수 있는 연료전지 전해질막과 막전극접합체(MEA)를 개발했다. 이 부품으로 연료전지 셀을 만들어 테스트한 결과, 250도에서 최대 출력 밀도가 세계 최고 수준인 2.35 W/㎠를 달성했다. 또 80~160도 사이의 다양한 온도 조건에서 성능을 테스한 결과, 기존 연료전지보다 10배 이상인 5000시간 이상의 장시간 운전이 가능했다.

뿐만아니라 160~240도 구간에서는 500시간 이상 가동해도 성능 저하 없이 장시간 운전할 수 있었다.

남석우 박사는 "이 기술은 해외 선진국들의 성과를 넘는 혁신적 성과"라며, "미래 에너지의 핵심이 될 수소연료전지 분야에서 글로벌 패권을 선도할 것"이라고 말했다. 또한 김형준 교수는 "이 시스템은 중대형 상용차, 도심 항공 모빌리티(UAM), 잠수함 등에 적용해 친환경 모빌리티 생태계 조성을 앞당길 것"이라고 말했다.

공동연구진은 KIST의 세륨포스페이트 자가조립 기술과 에너지공과대의 파라-폴리벤지이미다졸(p-PBI) 합성 기술을 사용한 새로운 합성법으로 전해질막을 만들었다. 전해질막은 수소의 전자는 걸러내 막고 수소이온만 이동하게 해준다. 연구진이 새로 만든 전해질막은 150도에서 최대 300도까지 전기화학적 성능과 내구성을 유지했다.

또 자가조립형 세륨포스페이트 파라-폴리벤지이미다졸 고분자 전해질막을 설계해 전기를 생산해내는 막전극접합체(MEA)를 만들었다. 그 결과, 250도에서도 연료전지의 에너지밀도에 영향을 미치는 수소 이온의 높은 이온전도성을 안정적으로 유지할 수 있었다.

이 막전극접합체는 200도 이상에서 작동 시, 고순도 수소가 아닌 메탄올과 수소저장유기물(LOHC)를 직접 연료전지에 공급할 수 있다. 연구진은 "이 때문에 효율이 높아지고, 가솔린 등의 연료 인프라를 그대로 활용 활용할 수 앴다는 장점까지 확보돼 높은 경제성과 지속성을 제공할 수 있다"고 설명했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 연료전지 기술을 국제 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자