한국화학연구원 '전해질 PFSA' 원천기술 확보

과불소계 설폰산 이오노머를 만들기 위한 핵심 단량체 제조기술과 중합 원천공정 설명도 [한국화학연구원 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국화학연구원은 박인준·소원욱·손은호 박사팀이 상명대 박진수·단국대 이창현 교수팀 등과 함께 수소자동차 연료전지 핵심 재료인 전해질 물질을 국내에서 처음 개발했다고 17일 밝혔다.

수소자동차는 수소와 산소 간 화학적 반응에 따라 물을 배출하고 전기를 생성하는 연료전지의 힘으로 움직인다.

연료전지 내 수소를 통과시켜 산소와 반응을 일으키게 하는 분리막과 전해질 물질이 구동 기술의 핵심이다.

분리막과 전해질 종류에는 여러 가지가 있다.

현재 가장 성능이 좋은 것은 구멍이 많은 분리막 소재 공간에 '과불소계 설폰산 이오노머'(Perfluorinated Sulfuric Acid Ionomer·PFSA) 전해질을 투입하는 형태다.

소재를 만들려면 기초 원료에서부터 9단계의 공정을 설계·운영해야 한다.

전 공정이 적은 양의 수분도 용납하지 않는 민감한 무 수분 공정이다.

기초 원료인 불소 에틸렌의 경우엔 폭발성이 강하고 이송이 불가능하다.

불소계 개시제(반응을 시작하게 하는 화합물)도 극저온 환경에서 만들어 곧바로 써야만 한다.

이런 배경으로 그간 PFSA 기술 관련 시장은 글로벌 기업 듀폰에서 점유했다.

합성과정도

화학연구원 연구팀은 30여년간 축적한 불소계 화합물 제조 기술 역량을 바탕으로 9단계 공정 전부를 국산화했다.

3년간의 노력에 따른 성과다.

기초 원료 물질 제조기술, 원료 물질로부터 PFSA 전 단계 물질인 단량체를 합성하는 공정, 불소 고분자를 중합하는 공정, 최종 결과물로 변환하는 공정 등을 모두 포함한다.

상명대·단국대 연구팀은 개발 물질 물성·성능을 평가했다. 시노팩스와 코멤텍은 분리막 적용과 성능 평가를 수행했다.

해당 기술은 하루 5㎏ 생산 규모 공정을 건설·운영해 얻었다. 상업적인 적용이 가능하다.

원료로부터 단량체가 나오는 비율(단량체 수율)이 57％로, 듀폰 제품과 견줄 수 있는 우수한 성능을 가지고 있다고 연구팀은 설명했다.

단위 면적당 이온이 지나가는 양(이온전도도)과 1㎏에서 이온이 교환되는 수치(이온교환능)도 높다.

PFSA 이오노머

한국화학연구원은 시제품 장기 안정성 평가와 제조공정 최적 가동 조건 검증 등을 거쳐 기술이전과 상용화를 추진할 계획이다.

박인준 박사는 "PFSA 제조공정은 모든 유기 불소산업 기술이 융합돼야 한다"며 "기술 수입이 불가능해 제품만 수입하던 실정에서, 이젠 우리나라가 친환경 수소자동차와 불소산업 분야 선도국으로 발돋움할 수 있는 계기를 마련한 것"이라고 말했다.

연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업 지원으로 수행했다.

walden@yna.co.kr

[경제] 수소차 연료전지 핵심 재료 국내 첫 개발