연료전지 상용화 기술장벽 넘었다. 원자력연-에너지기술연, 방사선ㆍ나노기술 결합 DMFC 소형화 성공
한국원자력연구원과 한국에너지기술연구원 연구진이 공동연구를 통해 방사선과 나노기술을 결합, 연료전지 상용화를가로막던 기술장벽을 뛰어넘는 데 성공했다.
두 기관은 4년 이상의 공동연구를 통해 수소연료전지인 고체산화물연료전지(SOFC) 동작온도를 크게 낮추고, 메탄올을 연료로 쓰는 직접메탄올연료전지(DMFC)를 소형화하는 데 성공했다고 25일 밝혔다.
SOFC 연구는 원자력연 이창규 박사팀과 에너지연 송락현 박사팀이, DMFC 연구는 원자력연 신준화 박사팀과 에너지연 정두환 박사팀이 각각 손을 잡았다.
이창규ㆍ송락현 박사는 800∼1000°C의 고온에서 작동해 고가의 특수합금소재가 사용돼야 하는 SOFC의 단점을 개선하기 위해, 동작온도를 600∼650°C까지 낮출 수 있는 `탄소막 코팅 은나노 입자 촉매제’를 개발했다. 은나노 입자 표면을 탄소로 코팅함으로써 SOFC의 핵심 부품인 공기극과 은나노 입자의 결합력을 높이고, 열처리 중에 은나노 입자끼리 응집되지 않게 하는데 성공한 것. 이 촉매제를 적용한 SOFC는 650°C에서 최대 400㎽(밀리와트)/㎠의 성능을 내는 것을 확인했다.
신준화ㆍ정두환 박사는 방사선 기술을 이용, DMFC를 소형화ㆍ경량화하고 추운 날씨에서도 사용할 수 있게 하는 `방사선 조사 고분자 연료전지막’을 개발하고 연료전지 스택을 제조했다.
DMFC는 고농도 메탄올을 사용할수록 크기는 소형화하고 더 낮은 온도에서 쓸 수 있지만 기존에 개발된 연료전지막들은 메탄올 농도를 높이면 메탄올을 흡수해 부풀어 오르는 현상이 발생했다. 연구진은 방사선을 이용해 두가지 고분자를 공중합시키는 방사선 접목 기술을 이용, 고분자 필름에 염화비닐벤질 고분자를 접목시킨 후 화학 처리를 해 메탄올 투과는 최소화하고 수소이온만 투과시키는 고분자 연료전지막을 개발해 문제를 해결했다.
이를 이용해 DMFC 스택을 제작한 결과, 현재 가장 많이 사용되는 듀폰사 소재인 나피온(Nafion)이 메탄올 농도 1몰에서만 정상 작동하는 반면, 이 막은 5몰(mol:물질량을 나타내는 단위) 이상에서도 나피온보다 2배 이상 출력(120㎽/㎠)을 유지하는 것으로 확인됐다.
연구진은 “후속 연구를 통해 SOFC의 출력을 낮은 온도에서 500㎽/㎠까지 높일 계획"이라며 “DMFC는 40W급 시제품을 제작한 후 기술 최적화를 통해 고분자 연료전지막 상용화에 나설 것"이라고 밝혔다.
안경애 기자