3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발

유성종 박사 연구팀에서 개발한 전해질막 3차원 구조체 전극의 모형. (자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀이 3차원 구조체 제어기술을 도입하여 장시간 높은 안정성을 가지며, 기존 대비 전력밀도가 향상된 연료전지 기술을 개발했다고 지난달 7일 밝혔다. 3차원 구조체는 연료전지 작동에 필요한 구성요소인 전극층, 전해질막, 수송층을 3차원으로 배열한 형태로, 연료전지의 성능과 밀접한 연관이 있다.

연료전지는 지구상에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술로 이차전지의 충전 속도와 저장 용량의 한계를 극복할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있다. 다양한 방식의 연료전지 가운데 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 하지만, 장기간 구동 시 내부에서 생성되는 물이 내구성과 성능을 저하시켜 상용화를 가로막고 있다.

연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 이 기술은 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지의 성능을 향상시키는 기술인데, 본 연구에서는 1차원 및 3차원의 다중 차원 구조로 전극층을 설계해 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 보여줬다.

또한, 단일 또는 다층 구조로 전해질막 3차원 구조체의 표면을 패턴화하여 연료전지 내 저항 감소와 전기화학적 활성 표면적을 증가시켰다, 그 결과, 연료전지의 기계적 강성이 향상되고 고분자 전해질의 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상되는 것을 확인했다.

연구팀은 한편 기공 구배 및 습윤성 기체 확산에 따른 물질 전달 특성이 개선된 수송층의 3차원 구조를 개발했다. 전해질막의 높은 표면 응력을 이용해 이를 늘리면서 유도된 전극 층의 균열이 전지 내부에서 생성된 물의 효율적인 이동 통로로 작용하여 균열이 없는 기존 연료전지에 비해 최대 출력 밀도가 18% 향상됨을 확인했다.

KIST 유성종 박사는 “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 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 나노 및 소재 기술개발사업으로 수행되었다. 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ 최신 호에 게재됐다.