KIST 연구진, 물 관리 문제 해결한 연료전지 기술 개발

고분자 전해질막 연료전지 성능 향상을 위해 3차원 구조체 전극제어기술을 개발한 KIST 유성종 책임연구원(우측) 연구팀./KIST

국내 연구진이 3차원 구조체 기술을 활용해 높은 안정성을 가지고 전력밀도도 향상시킨 연료전지 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구센터 유성종 책임연구원 연구팀이 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발했다고 5일 밝혔다.

연료전지는 지구에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술이다. 이차전지의 충전 속도와 저장 용량 문제를 극복할 수 있는 새로운 청정에너지원으로 주목받는다. 다양한 연료전지 중에서도 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높게 평가된다.

다만 이 방식은 장기간 구동 시 내부에 생기는 물이 연료전지의 내구성과 성능을 저하시키는 단점이 있다. 이 때문에 상용화를 위해서는 물을 관리하는 방법을 찾는 게 중요하다.

연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 멀티스케일 아키텍터는 나노, 마이크로, 밀리미터 스케일 등 다양한 크기의 구조를 사용해 효율적인 물질의 이동, 전하 전달, 촉매 활용 등을 개선하는 방식을 말한다. 연구팀이 이 기술을 이용해 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지를 설계하자 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 찾았다.

연구팀이 설계한 연료전지는 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상됐고, 전극 층의 균열이 물이 이동하는 통로가 되면서 자연스럽게 물을 관리하는 것도 가능했다.

유성종 책임연구원은 “3차원 구조체를 이용하면 기존 연료전지의 구조로는 어려웠던 다양한 촉매의 활용도를 극대화하고, 생성되는 물을 안정적으로 관리할 수 있다”며 “향후 단순한 구조에서 벗어난 새로운 3차원 구조체를 활용해 수소자동차 또는 발전용 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴드스 머티리얼즈’ 최신 호에 게재됐다.

참고자료

Advanced Materials, DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202204902

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