이영무 한양대 공대 에너지공학과 교수팀이 고온, 저가습 조건에서도 작동이 가능한 연료전지분리막을 개발했다. 이는 현재 정체 상태인 연료전지 실용화 연구의 패러다임을 바꿀 획기적 연구로 평가받는다.

▲ (사진 왼쪽부터) 이영무 총장, 박치훈 박사, 이소영 박사, 황두성 박사

향후 상용화할 경우 수소연료전지 차량의 핵심 부품인 수소연료전지 분리막 가격을 현재의 10분의 1 수준으로 현저히 낮출 것으로 기대된다. 아울러 해수(海水)로부터 에너지를 생산하는 역전기투석공정(Reverse Electrodialysis)용 분리막 기술 공정에도 적용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

연구 결과는 세계 최고의 학술지인 「네이처(Nature)」 28일자 온라인 판에 게재됐으며, 탄화수소계 연료전지막 분야로 네이처에 게재된 것은 이 교수팀 논문이 세계 최초다(논문명: ‘나노크랙 작동 자기가습 분리막(Nanocrack-regulated self-humidifying membranes)’).

이번 연구는 미래창조과학부 한국연구재단 ‘나노소재기술개발사업’의 지원으로 진행됐다.

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.

교신저자인 이영무 교수는 현재 한양대 총장이며, 석학교수이자 국제저명 학술지 「멤브레인 사이언스 저널(Journal of Membrane Science)」의 에디터이기도 하다. 온실가스분리용 고분자분리막에 관해 또다른 최고 학술지 「사이언스(Science)」 논문 2편을 포함, 360여 편의 논문을 게재한 분리막 분야의 세계적 석학이다.

공동 제1저자인 박치훈 경남과기대 교수, 이소영 한국과학기술원 (KIST) 선임연구원, 황두성 미국 일리노이대 박사후연구원은 모두 한양대에서 박사학위를 받았다.

수소연료전지는 산화극, 분리막, 환원극으로 구성된 막-전극 복합체(MEA)에서 전기화학반응을 통해 전기를 발생시킨다. 이때, 전극으로 고가(高價)의 백금촉매가 이용되며, 연료인 수소를 음극에 공급하면 촉매와 산화반응을 통하여 수소이온이 생성되고, 이러한 수소이온이 분리막을 통해 환원극으로 전달된다. 환원극에서는 전달된 수소이온과 공기 중에서 유입된 산소의 환원반응을 통해 전기를 생산하는 전지 시스템이다.

수소연료전지용 분리막으로 종전에는 불소를 주쇄(주사슬)에 포함하고 있는 불소계 분리막을 사용하고 있었으나, 가격이 높고 낮은 열적 안정성으로 인해 사용온도가 80-90도 정도인 단점이 있었다. 수소연료전지 구동 시, 차량이나 가정용 연료전지 룸의 온도가 120도 이상 올라가므로 80도로 유지시키기 위해서는 별도의 냉각장치를 필수로 하며, 가습을 위해 전극부에 가습장치를 부가적으로 달아야 하는 단점이 있었던 것.

특히 연료전지시스템을 100도 이상의 고온으로 운전할 때는 촉매의 독성 감소 및 활성 증가로 인해 유리하고 비(非)백금계 저가 금속도 사용할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 기존의 불소계 분리막은 낮은 열적 안정성으로 인해, 또 탄화수소계분리막은 낮은 고온 성능으로 인해 각각 연료전지 상용화에 걸림돌이었다.

▲ 새로운 수소연료전지 분리막 메커니즘 모식도

이번의 연구 성과는 저가의 비불소계 탄화수소 고분자 전해질 분리막 표면을 상온 플라즈마로 처리해 표면에 나노크랙을 형성시켜, 고온(120도) 저가습(35%) 조건에서도 수소이온전도도가 높고 장기간 연료전지로 작동이 가능한 저가의 탄화수소계 고분자 전해질 분리막을 세계 최초로 발명했다는 데 의의가 있다.

한양대 연구진이 새롭게 개발한 고온 저가습용 비불소계 고분자 전해질 연료전지분리막은 저가의 비불소계 고분자 분리막에 10-100나노미터의 얇은 플라즈마 막을 씌운 후, 막에 물이 들어가면 나노크랙이 만들어져 마치 선인장 표면의 기공(숨구멍) 같은 나노밸브를 만들게 함으로써 저가습 조건에서도 작동이 가능하게 한 지능형 고분자 전해질 분리막이다. 플라즈마 처리 방법은 전자산업 등에서 반도체 표면처리에 쓰이는 간단한 공정으로 상온에서 수분간 간단히 처리하면 된다.

기존 불소계 분리막에 비해, 가격은 10배가량 낮으면서, 100도 이하에서는 성능이 같으나, 120도 고온에서는 불소계 고분자 전해질막은 분해돼 작동을 하지 못하는 반면, 이번 플라즈마로 코팅된 후 나노크랙이 형성된 비불소계 탄화수소 분리막은 고온에서도 성능감소 없이 오랜 기간 안정성을 확보했다. 지금까지 개발된 불소계소재의 가격 및 성능 한계를 획기적으로 뛰어넘어 저가이며 보급형인 소형 자동차나 가정용 수소연료전지를 만들 수 있는 돌파구를 마련했다.

이영무 교수는 “현재 세계적 기상이변으로 인해, 이산화탄소 등 공해발생이 없는 신재생에너지로서 수소연료전지의 개발이 절실히 필요한 상황”이라며 “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.