음이온 교환막 일체형 재생 연료전지의 효율과 내구성 동시 향상
탄소와 스테인리스 결합한 이중 수송층 구조 개발로 최고 효율 기록
한국공학대학교는 최근 박지은 융합기술에너지대학원 교수 연구팀이 하나의 장치에서 수소 생산과 전력 공급을 동시에 수행하는 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지(AEM-URFC)의 성능을 크게 향상할 수 있는 핵심 구조를 개발했다고 12일 밝혔다.
이 장치는 전기가 남을 때는 물을 분해해 수소를 만들고, 필요할 때는 저장된 수소로 전기를 생산하는 에너지 저장·변환 장치다. 별도 장치들을 설치할 필요가 없어 공간 활용성이 높고 비용을 줄일 수 있어 차세대 수소에너지 기술로 주목받고 있다.
기존 기술은 수소를 생산하는 수전해 모드와 전기를 생산하는 연료전지 모드에서 요구되는 소재 특성이 달라 높은 효율과 내구성을 동시에 확보하기 어려웠다.
박 교수팀은 이를 해결하기 위해 서로 다른 장점을 가진 두 종류의 수송층을 결합한 이중 수송층 구조를 개발했다. 연료전지 작동 시 우수한 성능을 보이는 탄소 기반 수송층을 내부에 배치하고, 수전해 과정에 유리한 스테인리스 기반 수송층을 외부에 배치해 두 환경에 모두 최적화했다.
실험 결과, 이중 수송층 구조는 기존 티타늄 기반 수송층보다 우수한 성능과 내구성을 보였다. 특히 왕복 효율은 20㎃/㎠ 조건에서 63.4%를 기록해 현재까지 보고된 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지 가운데 최고 수준의 효율을 달성했다. 1200㎃/㎠의 초고전류밀도에서도 안정적으로 구동돼 고출력 운전 가능성을 입증했으며 반복 구동 시험에서도 우수한 내구성을 확인했다.
박 교수는 "이번 연구를 통해 고효율 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지의 상용화 가능성을 확인할 수 있었다"며 "수소 생산과 전력 공급이 동시에 필요한 선박, 우주, 항공 분야 등 다양한 산업에 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
한편 이번 연구는 기민석 한국공학대 석사과정과 이경아 서울대 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 이외에도 이대현 한국공학대 졸업생과 민준호·조지훈·서은우·이희진 생명화학공학과 학부생도 연구에 참여했다.
연구 결과는 오는 8월1일 'Dual-layer porous-transport layer design for high-performance anion-exchange membrane unitized regenerative fuel cells'라는 제목으로 에너지 분야 국제학술지 'Journal of Power Sources'(IF=7.9)에 게재될 예정이다.
