박지은 한국공대 교수팀, 연료전지 효율증대 산소전극 개발

박지은 한국공대 융합기술에너지대학원 교수./사진제공=한국공대

한국공학대학교는 최근 박지은 융합기술에너지대학원 교수 연구팀이 탄소나노튜브 기판을 이용해 일체형 연료전지의 효율을 높일 수 있는 다공성 기공 산소 전극을 개발했다고 3일 밝혔다.

일체형 재생 연료전지는 수소를 생산하는 수전해 장치와 전력을 생산하는 연료전지 장치를 결합해 만든다. 수소에너지를 기반으로 하는 에너지 변환·저장 장치의 일종이다.


이를 신재생에너지와 결합하면 신재생에너지의 잉여전력으로 수전해 모드를 구동, 수소를 생산 및 저장할 수 있다. 반대로 전력 수요가 높아질 경우 연료전지 모드를 구동해 전기를 생산할 수 있다.

기존에는 양이온 교환 막 전해질 일체형 재생 연료전지만을 생산했다. 이런 장치는 귀금속을 사용해야 하기 때문에 음이온 교환 막 일체형 재생 연료전지 개발 수요가 늘고 있다.

음이온 교환 막 일체형 재생 연료전지는 음이온 교환 막을 전해질로 사용한다. 알칼리 환경에서 구동할 수 있기 때문에 상대적으로 저렴한 비귀금속 촉매와 소재를 쓸 수 있다. 하지만 산소 전극 개발은 아직 초기 단계에 머물러 효율성과 안정성은 낮은 편이다.


박 교수팀은 일정한 간격의 탄소나노튜브 시트를 이용해 다공성 산소 전극을 설계했다. 탄소나노튜브 시트의 적층 방향을 다르게 적용한 결과 사각형 모양의 매크로 사이즈 기공을 갖는 탄소나노튜브 기판 제조 과정을 수립할 수 있었다.

이 기판에 촉매를 로딩해 산소 발생과 산소 환원 반응이 동시에 일어나는 산소 전극을 개발했다. 현재 보고된 연구 중 가장 높은 효율을 달성했으며, 250mA/cm-2라는 높은 전류 밀도에서도 높은 왕복 효율성(Round-trip Efficiency)을 보였다.

아울러 연구팀은 사이클 테스트를 통해 연료전지와 수전해 모드에서의 내구성도 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 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF=15.1)에 게재됐다.

박지은 한국공대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=한국공대