[인더스트리뉴스 김관모 기자] 한국과학기술연구원(원장 이병권, 이하 KIST)의 수소·연료전지연구단 김형준 박사팀이 가습장치가 필요 없는 신개념 연료전지인 '이중교환막연료전지(Dual exchange membrane fuel cells)' 개발에 성공했다고 지난 2월 18일 밝혔다.

연료전지 시스템은 수소전기차의 심장으로, 1·2차 전지와 다르게 연료(수소)와 공기(산소)만 공급하면 높은 효율의 전기 에너지를 계속해서 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 안정적으로 전기를 발생시키기 위해서는 연료와 공기에 수분을 공급해야하기 때문에 상당한 부피와 무게의 수분 공급장치(가습장치)를 장착해야 한다. 따라서 이는 연료전지 시스템의 소형·경량화를 위해 반드시 해결해야 할 과제로 남아있었다. 특히 기존 연료전지인 고분자전해질연료전지(PEMFC)와 고체알칼리막연료전지(AEMFC)는 80℃ 이하의 온도에서 가습된 수소와 산소를 공급하기 위해 별도의 가습기 장착이 필요했다.

반면 KIST 연구진이 개발한 이중교환막연료전지(DEMFC)는 전극에서 발생하는 수분이 외부로 배출되지 않고 다시 흡수되는 자가 가습 특성이 있다. KIST 연구진은 고체알칼리막연료전지의 경우 수소가 공급되는 전극(애노드), 고분자전해질연료전지는 산소가 공급되는 전극(캐소드)에서 물이 생성되는 원리에 주목했다. 따라서 연구진은 이 점을 응용해 두 연료전지를 결합한 형태인 수소이온(H+) 전달막과 수산화이온(OH-) 전달막을 순차적으로 나란히 배열하는 이중교환막연료전지를 고안했다. 연구진이 투명 셀을 이용해 실험 결과, 이 새로운 구조의 이중교환막연료전지는 애노드와 캐소드 모두에서 물이 생성되는 것이 확인됐다.

연구진이 개발한 이중교환막연료전지는 가습 없이 수소나 산소가 공급돼도 최고 850mW/㎠의 출력과 700시간 이상 지속되는 안정성을 보여 세계 최고 수준의 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 또한 연구진은 이중교환막 연료전지 스택을 제조하였고, 약 50회 이상의 on/off 반복 운전 실험을 진행한 후에도 성능 저하가 나타나지 않았다고 밝혔다.

KIST 김형준 박사는 “현재 수소전기차에 주로 사용되는 연료전지 시스템을 더욱 가볍고 단순하게 만들면 장기체공이 필요한 드론과 무인 항공기 등의 주전원으로도 활용할 수 있다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업으로 수행되었다. 연구결과는 연료전지 분야의 국제 저널인 ‘Journal of Membrane Science’(IF: 7.015, JCR 분야 상위 1.742%) 최신호에 게재됐다.

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