고온연료전지 고출력 가로막는 산소 공급 부족·인산 유출 동시 해결

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 국내 연구진이 고온 연료전지의 고출력 운전을 가로막던 산소 공급 부족과 전극 내 인산 축적 및 유출 문제를 동시에 해결했다.

한국연구재단은 국민대학교 장세근 교수 연구팀이 기존의 두꺼운 가스확산층(GDL)을 얇은 다공성 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 시트로 대체해 촉매층과 일체화하고, 기존 사형 분리판 유로 대신 그래핀 코팅 3차원 다공성 니켈 폼 채널을 적용해 고온 연료전지의 산소 전달과 인산 분포를 동시에 개선했다고 10일 밝혔다.

GDL은 연료전지의 촉매층에 산소나 수소를 전달하고 전극을 지지하는 다공성 부품이다. MWCNT는 여러 겹의 탄소 원통 구조로 이뤄진 나노소재로, 전기전도성이 높고 다공성 네트워크를 형성하는 역할을 한다.

수소연료전지의 활용 범위가 대형 상용차, 선박 및 발전 시스템으로 확대되면서 높은 출력과 효율을 확보할 수 있는 고온 고분자전해질막 연료전지(HT-PEMFC)가 주목받고 있다.

고온 연료전지는 120~200도의 고온에서 별도 가습 없이 운전 가능하고 불순물 내성이 높다. 다만 출력을 높일수록 산소 전달 저항과 전극 내 인산 관리 문제로 실제 셀 출력 향상으로 이어지는데 한계가 있다.

연구팀은 기존의 두꺼운 가스확산층 대신 약 10마이크로미터(μm) 두께의 친수화 MWCNT 시트를 촉매층과 일체화해 문제를 해결했다.

얇은 MWCNT 시트는 산소가 촉매층까지 이동하는 거리를 줄이는 동시에 다공성 네트워크를 통해 전극의 기계적 안정성을 확보했다. 전극 내부에 국부적으로 축적된 인산의 일부를 MWCNT 다공성 네트워크로 재분배해 전극 기공이 막히는 현상을 줄였다.

연구팀은 또 기존 사형 분리판 유로 대신 그래핀을 코팅한 3차원 다공성 니켈 폼 채널을 적용했다. 3차원으로 연결된 기공은 산소를 전극 전체에 균일하게 공급하고, 소수성 그래핀 코팅으로 인산의 외부 유출을 억제했다.

두 기술을 동시에 적용한 결과 산소 공급과 인산 분포가 개선되며 물질전달 저항이 크게 감소해 160도에서 제곱센티미터당 1.03와트(1.03W cm-2)의 최대 출력밀도를 달성했다.

장 교수는 "이번 연구는 물질전달 병목을 줄여 차세대 이온쌍 전해질막과 고성능 촉매 등 우수한 소재의 특성이 실제 연료전지 셀 출력으로 이어지는 설계 방향을 제시했다"며 "향후 상용차, 선박, 분산발전 등 고출력·고효율 에너지시스템에 활용 가능할 것"이라고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 그린수소기술자립프로젝트와 스팀(STEAM)연구 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학공학·에너지 분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 온라인 게재됐다.

jongseo12@news1.kr