"영하 20도에서도 끄떡 없다" 한국연구재단, 수소연료전지 동파 해결

겨울철 수소연료전지의 성능·내구성을 유지할 수 있는 원천 기술이 국내에서 확보됐다. 그간 겨울철에는 '전극 동파'로 수소연료전지 성능과 내구성이 저하되는 문제가 발생했다. 전극 동파는 수소연료전지 전극 내부에 잔류하는 물이 얼어붙어 균열을 일으키는 현상으로 혹한기 전지의 수명 단축에 주요 원인이 된다.

한국연구재단은 국립공주대 표재범 교수·한국과학기술원(KAIST) 김택수 교수·국방과학연구소 김지훈 박사 연구팀이 '이오노머(ionomer) 결합체' 내부 결빙이 전극 동파의 원인이 된다는 것을 규명, 10분간 190도로 열처리하는 공정으로 문제를 해결했다고 6일 밝혔다.

(왼쪽부터) 국립공주대 표재범 교수, KAIST 김택수 교수, 국방과학연구소 김지훈 박사. 한국연구재단 제공

이오노머는 물을 흡수해 수소이온 등 전하를 전달하는 동시에 입자를 접착·지지하는 역할을 하는 고분자다. 열처리 공정은 재료의 물리·화학적 구조를 변형시켜 성능을 개선하는 방법을 말한다. 공동연구팀은 이 공정으로 이오노머의 나노구조를 조밀하게 만들어 물이 머무를 공간을 차단하는 데 성공했다.

수소연료전지와 수전해 장치는 미래 청정에너지 기술의 핵심으로 꼽힌다. 하지만 겨울철 혹한기에는 전극 내부에 물이 남아 얼어붙으면서 균열이 생기는 탓에 장치의 성능 저하와 수명 단축 등 문제가 발생한다.

기존 연구는 대체로 이러한 파손 현상이 전극 속 미세한 기공(nanopore)에 갇힌 물이 얼면서 발생하는 압력 때문으로 판단했고, 이에 맞춰 최근까지도 히터나 외부 보조장치를 이용해 온도를 높이는 방식에 의존했다.

이와 달리 공동연구팀은 이오노머 함량이 높은 전극의 나노 기공이 더 적고 초기 기계적 성능이 우수하지만 동파에 오히려 더 취약하다는 점을 발견했다. 이는 동파의 주범이 나노 기공이 아닌 스펀지처럼 물을 빨아들이는 '이오노머 결합체'라는 점을 의미한다.

동파의 원인을 규명한 공동연구팀은 문제해결을 위해 190도에서 10분간 열처리하는 공정을 적용했다. 이 과정에서 이오노머의 나노구조가 조밀하게 변형돼 물이 머무를 공간 자체를 조절했고, 이 결과 영하 20도의 혹한에서도 초기 기계적 성능의 90% 이상을 유지할 수 있는 내구성을 확보할 수 있었다.

표 교수는 "이번 연구는 전극의 동파 원인에 관한 기존 통념을 뒤집어 동파의 실제 원인을 찾아 새로운 해결책을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"고 말했다.

다만 "이번 연구 성과를 산업 현장에 적용하기 위해선 장시간 반복되는 동결·해동 시험과 실제 발전 시스템 환경에서의 검증이 필요하다"는 표 교수는 "공동연구팀은 이번 연구 성과를 대규모 시스템에 적용 가능한 기술로 발전시켜 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 수소에너지 시스템을 개발하는 데 기여할 수 있도록 하겠다"고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기본연구 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과(논문)는 에너지 및 재료과학 분야 국제 학술지 '카본에너지(Carbon Energy)'에 최근 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr