▲ 이영무 한양대학교 총장 .

국내 연구진이 수소연료전지 차량의 핵심 부품인 수소연료전지 분리막의 가격을 기존의 10분의 1로 줄이고 고온, 저가습 조건에서도 작동하는 분리막 개발에 성공해 연료전지 실용화를 앞당길 전망이다.

이영무 한양대 총장(에너지공학과 교수)는 지난 28일 고온(120도) 저가습(35%) 조건에서도 수소이온전도도가 높고 장기간 연료전지로 작동이 가능한 저가의 탄화수소계 고분자 전해질 분리막을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 상용화시 기존 수소연료전지 분리막의 가격을 현재의 10분의 1수준으로 낮추고, 바닷물(해수)에서 에너지를 생산하는 역전기투석공정용 분리막 기술에도 사용할 수 있을것이라 기대했다.

연료전지 분리막은 음극에서 나오는 수소이온을 양극으로 전달해 공기중 유입된 산소와의 반응을 통해 전기를 생산하는데 도움을 준다.

기존의 수소연료전지용 분리막은 가격이 높고, 낮은 열적 안정성을 가지며 사용온도가 80~90도 사이인 불소계 분리막을 사용하고 있었다. 하지만 수소연료전지 구동시에 내부 온도가 120도 까지 올라가 별도의 냉각장치가 필요하며 가습장치도 달아야 했다.

또한 120도 고온에서는 불소계 고분자 전해질막은 분해돼 작동을 하지 못하는 단점이 있었다.

이에 연구진은 저가의 비불소계 고분자 분리막에 10-100나노미터의 얇은 플라즈마 막을 씌운 후, 막에 물이 들어가면 나노크랙이 만들어져 마치 선인장 표면의 기공(숨구멍) 같은 나노밸브를 만들어 저가습 조건에도 작동이 가능하게 만들었다.

이번 플라즈마로 코팅된 후 나노크랙이 형성된 비불소계 탄화수소 분리막은 고온에서도 성능감소 없이 오랜 기간 안정성을 확보했다.

연구진은 지금까지 개발된 불소계소재의 가격 및 성능 한계를 획기적으로 뛰어넘어 저가이며 보급형인 소형 자동차나 가정용 수소연료전지를 만들 수 있는 돌파구를 마련했다고 전했다.

이영무 교수는 “이번에 개발한 나노크랙을 이용해 만든 자기가습 분리막을 활용해 청정 수소에너지를 이용한 보급형 연료전지 차량과 가정용 연료전지 시스템을 만들 경우 차세대 원천기술로서 획기적 전기가 마련될 것”이라고 말했다.

이 교수는 또 “해수(바닷물)로부터 에너지를 생산하는 역전기투석공정(Reverse Electrodialysis)용 분리막 기술 공정에도 사용할 수 있을 것”이라고 했다. 그는 “이번 나노크랙 자기가습 분리막은 친수성고분자를 적절한 플라즈마코팅 처리 후 나트륨이온이나 염소이온 등에 대한 선택도가 높고 막저항이 낮아 미래 중요한 국가주도 에너지 산업인 에너지하베스팅(energy harvesting)용 분리막 공정에도 응용이 가능 할 것”이라고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 한국연구재단 ‘나노소재기술개발사업’의 지원으로 진행됐으며 세계 최고의 학술지인 「네이처(Nature)」 28일자 온라인 판에 게재됐다.

이영무 교수가 주도한 이 연구는 김태욱 생명과학과 교수, 김덕수 기계공학과 교수와 연구원들이 참여해 융합연구로 이뤄졌다. 또한 호주 연방과학기술원(CSIRO) 아니타 힐(Anita J. Hill) 부원장팀과, 현재 한양대 방문교수인 마이클 가이버(Michael Guiver) 박사가 공동으로 참여했다.

▲ 새로운 수소연료전지 분리막 메커니즘 모식도.