소형 전자기기에 최적화된 새로운 연료전지 개발

수소를 활용하는 연료전지는 수소(H2)와 공기 속 산소(O2)의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 반응 결과 전기에너지와 물만 생성되기 때문에 오염물질을 배출하지 않는 친환경 미래 에너지로 각광받는다. 연료전지는 특히 높은 에너지 밀도를 가지고 있다. 따라서 발전소나 수소자동차 등 대량의 에너지가 필요한 곳뿐만 아니라 스마트폰, 드론 등 휴대용 소형 전자기기에도 유용하게 쓰인다.

소형 전자기기에 최적화된 새로운 연료전지가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 조용훈 강원대 교수팀과 공동으로 가볍고 구부릴 수 있는 빨대 모양의 연료전지를 개발했다. 기존보다 단순화되어 가볍고, 다양한 모양으로 구성할 수 있어 연료전지 개발의 새로운 방향성을 제시한 것으로 평가된다.

연료전지는 크게 양측의 끝판, 분리막 그리고 막전극접합체로 구성된다. 양쪽 끝판은 막전극접합체에 균일한 압력을 전달한다. 분리판은 수소와 산소를 섞이지 않게 분리하는 동시에 반응물의 통로 역할을 한다. 양쪽 끝판과 분리판은 전체 무게의 약 80%를 차지하며, 지금까지는 경량화에 한계가 있었다.

* 막전극접합체: 수소 이온과 물이 전달되는 전해질막, 전해질 양측의 연료극과 공기극의 전극, 기체확산층으로 구성된 연료전지 핵심 소재.

연구진은 무거운 양쪽 끝판과 분리판의 역할을 축소하여 연료전지의 경량화 방법을 고안해냈다. 연구진은 종이컵을 쌓아 올리듯, 원추형 유닛을 이어 주름진 빨대 형태의 연료전지를 설계했다. 이때, 각 부품의 고정 장치와 구조 유지를 위한 양쪽 끝판을 제거해도 형태가 유지됐다. 또, 관의 안쪽을 연료(수소)의 통로로, 외부를 공기(산소) 공급 면으로 활용하여 분리판의 역할도 대체할 수 있음을 확인했다. 이런 방식으로 막전극접합체를 제외한 부품의 무게를 60% 이하로 대폭 줄일 수 있었다.

또한, 빨대의 주름진 부분처럼 자유자재로 줄이거나 늘일 수도 있다. 제1저자인 황원찬 연구원은 “디자인된 종이접기 주름을 따라 접으면 부피를 50% 줄일 수 있고, 또 90°까지 유연하게 구부러진다”며 “접거나 구부려도 성능의 저하가 거의 없는 연료전지”라고 설명했다.

한편, 종이컵을 쌓듯 간단히 직렬연결을 할 수 있다는 장점도 있다. 즉, 높은 전압을 구동가능함은 물론 원하는 전압 및 전류의 연료전지 제작이 쉽다는 의미다. 2개의 유닛을 직렬연결한 연료전지의 무게는 0.22g, 부피는 0.565㎤ 수준으로 매우 작고 가볍다. 그런데도 198mW의 전력과 897.7 W·kg-1의 비중 전력 밀도를 낼 수 있다. 또한, 100회 이상 전류-전압 곡선 측정 시 같은 성능을 유지했다.

공동 교신저자인 조용훈 교수는 “이번 연구에서는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)를 개발했지만, 이를 넘어 여러 전기화학 장치에 적용 가능할 것으로 보인다”며 “일례로, 수전해 등 수소 생산 장치에도 적용 가능하다”고 설명했다.

연구를 이끈 성영은 부연구단장은 “연료전지에 종이접기의 원리를 접목하여 가볍고 구부릴 수 있는 3차원 빨대 모양의 연료전지를 개발했다”며 “혁신적인 디자인의 도입을 통해 연료전지 분야가 눈에 띄게 발전할 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

이번 연구결과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 에너지 분야 세계적 학술지인 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF 23.101) 8월 19일자 온라인 판에 게재됐다.

▲ 연구진이 개발한 빨대 모양의 연료전지 모식도

연구진은 가볍고 구부릴 수 있는 3차원 빨대 모양의 고분자 전해질 막 연료전지를 개발했다.

▲ 가벼운 빨대 모양의 연료전지, 유닛과 전류-전압 곡선

동일 모양의 유닛을 쌓아 올리는 방법을 통해 빨대 모양의 고분자 전해질 막 연료전지를 제작하였다. 2-셀 스택의 경우 0.22 g의 무게와 0.565 cm3 부피로 매우 작고 가벼우며, 198 mW(전력) 및 897.7 W·kg-1(비중 전력 밀도)의 성능을 보인다.

▲ 연구진이 개발한 종이접기 원리를 이용하여 제작한 가볍고 구부릴 수 있는 3차원 빨대 모양의 고분자 전해질 막 연료전지의 종이접기 도면

▲ 연구진이 개발한 종이접기 원리를 이용하여 제작한 가볍고 구부릴 수 있는 3차원 빨대 모양의 고분자 전해질 막 연료전지

빨대와 같은 고분자 전해질 막 연료전지에 종이접기 원리를 적용함으로써 구조적으로 외력의 영향을 덜 받게 되며 접으면 50% 가까이 부피를 줄일 수 있으며 구부림 특성을 갖는 연료전지를 제작하였다. 접기 전후 비교 시 성능의 저하가 거의 없었으며 0~90°구부림에도 모든 각도에서 90% 이상의 초기 성능을 유지하는 등 안정성도 뛰어난 것으로 확인하였다.

 

더 작고 유연하고 가벼운 연료전지.hwp

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출처 : 기초과학연구원

 

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