수소연료전지의 일종인 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 성능을 고온·건조한 악조건에서도 높일 수 있는 방법이 개발됐다고 한국과학기술연구원(KIST)이 19일 밝혔다.

이 연구는 트럭·선박·항공기 등으로 PEMFC의 활용 분야가 지금보다 크게 확대되는 발판이 될 것으로 기대된다.

KIST에 따르면 이 기관의 물질구조제어연구센터 선임연구원인 이성수 박사와 미국 로스앨러모스국립연구소(LANL) 소속 김유승 박사 등이 참여한 공동연구진이 고분자전해질연료전지의 핵심 구성 요소인 '아이오노머'(ionomer)의 미세다공성(microporous) 구조를 조절하는 방법을 발견했다.

아이오노머는 이온 전도성이 있는 고분자 화합물로, 고분자전해질연료전지의 전극에 촉매와 함께 쓰인다.

고분자전해질연료전지는 수소연료전지 중에서 100℃ 이상의 고온에서 수분이 증발하면서 이온전도도가 감소해 비행기나 선박 같은 대형 이동 수단에 적용하기 어려웠다. 이 때문에 고온·무가습 조건에서도 높은 성능을 내도록 할 필요성이 지적돼 왔다고 연구진은 설명했다.

이번 연구에서는 포스폰산(RPO₃H₂)을 함유한 고분자와 설폰산(RSO₃H)을 함유한 고분자를 조합한 복합 아이오노머가 사용됐다.

이런 복합 아이오노머를 사용하면 물 없이도 이온 전도가 가능해 고온·무가습 조건에서도 상당히 높은 성능을 낼 수 있다는 것이 연구진의 설명이다.

연구진은 이 복합 아이오노머에서 분산용매를 달리하면 이오노머의 미세다공성 구조가 달라지는 양상을 확인했다.

또 미세다공성 구조가 분산용매의 pKa(산의 세기를 나타내는 지표로, 낮을수록 강한 산에 해당)와 직접적 상관관계가 있으며, 다공성도가 커질수록, 즉 미세한 구멍이 많을수록 산소와 수소의 접근성이 빨라져 전지 성능이 높아지는 점도 확인했다.

이성수 박사는 "이번 성과는 고온-수소연료전지에서 아이오노머 분산용매의 pKa가 중요한 파라미터(매개변수)임을 발견한 것"이라며 "트럭이나 선박 등과 같은 대형 모빌리티로 수소연료전지의 활용처를 넓히는 데 적용될 수 있을 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 미국 에너지부(ARPA-E)와 과학기술정보통신부의 소재혁신선도사업, KIST 주요사업으로 수행됐다. 연구 결과는 '미국화학회 에너지 레터스'(ACS Energy Letters)에 게재됐다.