KIST, 고온에서 작동하는 수소연료전지 소재 개발

[요약]

연구팀에 따르면 새롭게 개발한 막-전극 접합체를 적용한 연료전지는 250℃에서 최대 출력 밀도가 ㎠당 2.35W로 세계 최고수준을 달성했으며, 80~160℃의 고온 환경에서 기존 PBI* 기반 연료전지 대비 10배 이상 높은 수준인 5,000시간 동안 작동이 가능한 것을 확인
* PBI(폴리벤지미다졸): 고온 고분자 전해질막 연료전지(HTPEMFC)에서 사용되는 고성능 고분자 소재로, 고온 환경에서도 우수한 열적, 화학적 안정성을 유지할 수 있는 특성을 가지고 있음

- 수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기와 물을 생성해 친환경 에너지원으로 각광받고 있으나, 고온 환경에서 화학적 안정성을 가지는 전해질을 확보하지 못하는 등 기술적 한계**에 직면해 있음
  ** 전해질 소재의 한계 외에도 ① 고가의 촉매, ② 내구성 및 부식, ③ 수소연료 내 불순물 제거, ④ 수소 저장 및 운송 등의 해결해야할 기술적 과제들이 남아있음
  - 한국과학기술원과 한국에너지공대 연구팀이 개발한 막-전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)는 수소연료전지가 직면한 과제 중 고온 환경에서의 안정성을 보장할 수 있는 것으로 보고됨
  - 기존의 수소 연료전지는 80도에서 작동하는 반면 연구진이 개발한 세륨포스페이트*** 자가 조립 기술을 활용해 구현한 고분자 전해질막을 통해 최대 300도에서 작동하는 막-전극 접합체를 개발
    *** 세륨포스페이트(Cerium Phosphate): 세륨과 인산염으로 이루어진 화학물로 고온 안정성과 화학적 안정성이 뛰어남

- 연구진이 개발한 막-전극접합체 기술은 고온 환경에서의 안정적인 작동 외에도 백금 촉매의 사용량을 줄이는 설계를 적용하여 촉매 내구성을 극대화함으로써 수소연료전지 기술의 전환점이 될 수 있을 것이라는 평가도 존재

연구진의 성과는 수소연료전지의 기술적 측면을 넘어 경제적, 환경적 측면에서 비용 절감, 에너지 전환 가속화 등 유의미한 변화를 이끌어 낼 전망

- 고온에서 작동 가능한 수소연료전지는 연료전지 시스템 비용 자체를 절감하는 효과를 가져올 수 있음
  - 연구진의 막-전극접합체를 사용한 수소연료전지는 고온 환경에서 수분의 손실을 억제하여 복잡한 가습 시스템을 운용할 필요가 없기 때문에 생산 및 운용 비용을 절감할 수 있음
  - 또한, 수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금의 내구성을 극대화하여 연료전지 제조 원가 또한 절감할 수 있음
  - 해당 기술의 상용화를 통해 수소연료전지 시장에서 선도적인 입지를 확보할 수 있을 전망

- 기존 수소연료전지 대비 높은 경제성을 보장할 수 있는 고온 작동 수소연료전지는 청정수소를 화석연료를 대체하는 에너지원으로 활용할 수 있도록 하여 환경적 측면에서 유의미한 변화를 가져올 수 있음

- 연구진은 상용화를 위한 후속 연구를 통해 고온 작동 수소연료전지가 중대형 수소버스, 트럭, 선박, 비행기 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 전망

[시사점]

KIST와 한국에너지공대가 개바한 고온용 막-극 접합체 기술은 수소연료전지 분야에서 획기적인 기술의 진보를 의미하며, 해당 기술은 수소연료를 사용하는 차량, 선박, 항공기 등 다양한 분야에 활용 가능성을 보이고 있음
국내 탄소 중립과 수소경제 활성화라는 목표를 달성하는데 중요한 기여를 할 기술로 기대받고 있는 상황
해당 기술과 연계할 수 있는 고품질의 수소를 생산, 저장, 운반하는 기술에 대한 연구 개발 수요가 예상됨

[출처]