한국공학대학교는 박지은 융합기술에너지대학원 교수 연구팀이 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지(AEM-URFC)의 효율을 59.2%까지 끌어올린 새로운 전극 구조를 개발했다고 15일 밝혔다.
이는 수전해와 연료전지 두 모드에서 모두 성능을 높인 것이 특징이다.
AEM-URFC는 하나의 장치에서 '물→수소'(수전해)와 '수소→전기'(연료전지) 변환을 수행하는 시스템으로, 재생에너지 잉여 전력을 수소 형태로 저장해 필요 시 전기로 재활용할 수 있다. 하지만 귀금속 촉매 의존성과 두 모드 간 성능 절충이 상용화를 제약해 왔다.
이에 연구팀은 산소전극을 안쪽 촉매층과 바깥 전도성 골격층으로 나눈 이중(더블 레이어) 구조로 설계해 이 같은 문제를 개선했다. 촉매층은 나노 촉매와 이오노머를 혼합해 연료전지 모드의 산소환원반응(ORR) 성능을 높였고, 탄소나노튜브(CNT) 골격을 적용한 전도성 층은 수전해 모드의 산소발생반응(OER)에서 전자·이온 이동과 기체 배출을 원활하게 했다.
이 설계로 전극 내부 전하·물질 전달 저항을 줄이면서 두 모드 모두에서 높은 효율을 확보했다. 실험 결과 라운드트립 효율(round-trip efficiency)은 59.2%를 기록했으며, 750밀리암페어(mA) 퍼 제곱센티미터(cm⁻²)의 고전류밀도 조건에서도 구동 가능성을 확인했다.
이번 연구는 서울대 이경아 박사, 나금비 박사과정생(공동 제1저자), 한국공학대 기민석 석사과정생, 이대현 학사과정생 등이 참여했다.
박지은 교수는 “이번 성과로 친환경 수소에너지를 보다 효율적이고 경제적으로 사용할 수 있는 길이 열렸다”며 “향후 수소차, 재생에너지 발전소, 분산형 전력망 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.
논문은 화학공학 분야 국제 학술지 'ACS Catalysis'(IF 13.1) 8월1일자에 게재됐다.
시흥=김동성 기자 estar@etnews.com
