친환경과 비용의 균형을 맞추다, 비불소계 수소연료전지

친환경과 비용의 균형을 맞추다, 비불소계 수소연료전지

대학생신재생에너지기자단 27기 천혜원

 

기존 수소연료전지의 문제점

최근 대기오염물질 배출의 가속화로 인한 환경문제 및 4차 산업혁명 이후 폭증한 데이터 처리량으로 에너지 수요가 급증하면서 환경오염과 에너지 고갈이라는 이중 위기에 직면했다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 수소에너지가 주목받고 있으며 세계 주요국은 미래 사회 기반을 수소 경제로 전환하기 위해 전 주기적 기술 개발과 투자를 확대하고 있다.

수소를 직접적인 에너지원으로 활용하는 대표적인 기술에는 수소연료전지가 있다. 하지만, 이러한 수소연료전지에도 꼭 친환경적이라고 말할 수 없는 이유가 있다. 수소연료전지의 전해질막은 연료전지 내에서 수소와 산소가 직접적으로 접촉해 폭발로 이어지는 것을 방지하는 소재이다. 현재는 불소 기반의 불소계 전해질막이 상용화되어 있으나, 이는 환경 유해 물질로 과불화 화합물 사용과 고비용의 한계 등으로 인해 친환경적인 ‘비불소계 전해질막’이 개발되고 있다. 

 

비불소계 수소연료전지란? 

최근 미국과 유럽을 중심으로, 과불화 화합물에 대한 규제가 점점 강화되고 있다. 이러한 흐름에 맞춰 등장한 것이 불소를 사용하지 않은 탄화수소계 고분자막을 사용하는 비불소계 수소연료전지이다. 탄화수소 기반 고분자막은 PSFA 계에 비해 비용이 낮고, 환경 내 불소 잔류 위험이 적어 친환경적이며 지속가능한 고분자 전해질로 주목받고 있다. 

작동원리는 다음과 같다. 첫 번째, 음극에서 수소가 분해돼 이온, 전자로 분리된다. 두번째, 고분자 전해질 막을 통한 이온 전도로, 수소 이온은 비불소계 고분자 막을 통과해 양극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 이동해 전기를 발생시킨다. 세 번째, 양극에서 반응 및 물 생성으로, 양극에서 수소 이온과 산소, 전자가 반응하며 물이 생성되고 이 과정에서 전기 에너지 및 열이 발생한다.   

 

비불소계의 장점

기존의 수소연료전지는 열적 안정성이 낮은 탓에, 자동차 구동 시 차량 엔진 온도가 120℃ 이상으로 올라가는데  80~90℃로 유지하기 위해 별도의 냉강 장치를 설치해 주어야 한다는 번거로움이 있었다. 비불소계 수소연료전지는 고분자 전해질 분리막 표면에 상온 플라마 처리를 해줘 고온 및 저가습 조건에서도 수소 이온 전도도가 높고, 장기간 연료 전지로 작동할 수 있다. 이러한 안정성 덕분에 시스템 단순화 및 CO 내성 향상에도 기여했다. 

또한, 고분자 구조 제어를 통해 이온 전도도 및 수분 흡수성, 기계적 강도 등을 정밀하게 조절할 수 있으며 다용도에 맞춘 맞춤형 전해질막을 개발할 수 있다는 폭넓은 가능성을 확보했다. 무엇보다 불소계 고분자와 달리, 영구화학물질의 배출이 없어 소각 시 유해물질의 발생이 없으며, 환경 규제 강화에 대응 가능한 친환경 대안 소재로 주목된다. 

기존 불소계 분리막은 백금 촉매와 반드시 함께 사용해야 하기 때문에 100㎠에 400달러 정도로 매우 값비싼 반면, 비불소계 분리막은 90%가량의 비용을 절감할 수 있으며 높은 온도의 열전도율을 가지고 있다. 

 

비불소계 전해질막의 전망

본래 승용차, 트럭 등에 사용되던 수송용 연료전지는 비불소계 수소연료전지를 활용해 우수한 환경 규제 대응력을 보여줄 수 있다. 만약 단점이 해결된다면 수분 관리가 어려운 차량 환경에 사용하기에도 적합하다. 

현재 미국과 유럽 시장에서는 불소계 대체 요구가 커지고 있으며, 일본, 독일, 한국을 중심으로 자동차 및 발전용 연료전지 적용 연구가 활발하게 진행되고 있는 만큼 앞으로 비불소계 수소연료전지의 수요는 상승할 것으로 보인다. 

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10월의 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "AI를 식히는 기술, 지속 가능한 냉각의 조건", 27기 이서영,  https://iksung.tistory.com/171

2. "인간도 자동차도 '다이어트 열풍'", 28기 박시우, https://iksung.tistory.com/163

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참고문헌 

[기존 수소연료전지의 문제점]

1) 김수현, “수소 저장/운송 기술 개요 및 현황”, 에너지포커스, 2019, 74(4), pp. 11-16.

2) 김진영, “<기술동향: 신재생에너지> 2050 탄소중립의 핵심 동력원, 수소연료전지”, 제어계측사. 2025.05.06., http://xn--989a87k25pmxbbuai4z.kr/bbs/board.

[비불소계 수소연료전지란?] 

1) 김민석, " 에너지연, 비불소계 전해질막 수소연료전지 연구단 발족", 신소재경제, 2025.07.18, https://amenews.kr/news/view.php?idx=63127

[비불소계 장점] 

1) 김순기, "[창간 34주년 특집2-人](34)이소영 KIST 선임연구원/비불소계 전해질 연료전지 분리막 개발", 2016.09.19, https://www.etnews.com/20160911000122

[비불소계 전해질막의 전망] 

1) 김민석, " 에너지연, 비불소계 전해질막 수소연료전지 연구단 발족", 신소재경제, 2025.07.18, https://amenews.kr/news/view.php?idx=63127