박지은 교수 연구팀 논문 ‘SCIE급 화공분야 국제학술지’ 게재

한국공학대학교는 융합기술에너지대학원 박지은(사진) 교수 연구팀이 수소에너지 변환 및 저장 장치인 일체형 연료전지 효율 증대를 위해 탄소나노튜브 기판을 이용해 다공성 기공을 포함하는 산소 전극을 개발하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

일체형 재생 연료전지는 수소를 생산하는 수전해 장치와 전력을 생산하는 연료전지 장치가 하나의 장치로 결합한 형태로 수소에너지를 기반으로 하는 에너지 변환 및 저장 장치이다.

이를 신재생에너지와 연계해 결합하면 신재생에너지의 잉여전력이 발생하면서 수전해 모드로 구동해 수소를 생산, 저장해둘 수 있다.

반대로 전력의 수요가 높아지게 되면 연료전지 모드로 구동해 전기를 생산할 수 있다.

현재 주로 개발 중인 형태는 양이온 교환 막 전해질 일체형 재생 연료전지이지만, 해당 장치는 비싼 귀금속을 사용되기 때문에 음이온 교환 막 일체형 재생 연료전지 개발 수요가 높아지고 있다.

음이온 교환 막 일체형 재생 연료전지는 음이온 교환 막을 전해질로 사용하는 장치로 알칼리 분위기에서 구동이 가능하다.

이에 값싼 비귀금속 촉매 및 소재를 사용할 수 있어 가격 저감 가능성을 보인다.

하지만, 해당 장치의 고효율 산소 전극 개발이 초기 단계이기 때문에 낮은 효율 및 안정성을 보인다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 일정한 간격을 가지는 탄소나노튜브 시트를 이용해 다공성 산소 전극을 설계했다.

탄소나노튜브 시트의 적층 방향을 변화시켜 적용한 결과, 사각형 모양의 매크로 사이즈 기공을 가지는 탄소나노튜브 기판 제조 과정을 수립했으며 이 기판에 촉매를 로딩해 산소 발생 반응과 산소 환원 반응이 동시에 일어나는 산소 전극을 개발했다.

그 결과 현재 보고된 효율 중 가장 높은 효율을 구현하였고, 높은 전류 밀도 (250mA cm–2)에서의 구동에서도 높은 round-trip efficiency를 유지했다.

또 사이클 테스트를 통해서 연료전지와 수전해 모드에서의 내구성을 확인했다.

이번 연구 결과는 ‘Hierarchical mesh–type oxygen electrode using carbon nanotube framework for anion–exchange membrane–based unitized regenerative fuel cells’라는 제목으로 화학공학 분야 저명 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ 7월호에 게재될 예정이다.

/시흥=김신섭기자 sskim@incheonilbo.com

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