수소를 생산하고 저장한 뒤 다시 전기로 활용하는 차세대 에너지 기술의 상용화 가능성을 높일 연구 성과가 나왔다.

한국공학대학교(총장 황수성) 박지은 교수 연구팀은 하나의 장치에서 수소 생산과 발전을 모두 수행하는 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지(AEM-URFC)의 효율과 내구성을 높일 수 있는 이중 수송층 구조를 개발했다고 12일 밝혔다.

음이온 교환막 일체형 재생 연료전지는 전력이 남을 때는 물을 분해해 수소를 생산하고, 필요할 때는 저장된 수소로 전기를 생산하는 에너지 저장·변환 장치다. 수전해 장치와 연료전지를 각각 설치할 필요가 없어 공간 활용성이 높고 구축 비용을 줄일 수 있어 차세대 수소에너지 기술로 주목받고 있다.

하지만 기존 기술은 수소를 생산하는 수전해 모드와 전기를 생산하는 연료전지 모드에서 요구되는 소재 특성이 달라 높은 효율과 내구성을 동시에 확보하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 서로 다른 특성을 가진 두 종류의 수송층을 결합한 이중 수송층(Dual-layer porous transport layer) 구조를 개발했다. 연료전지 운전 시 성능이 우수한 탄소 기반 수송층을 내부에, 수전해 과정에 적합한 스테인리스 기반 수송층을 외부에 배치해 두 운전 환경에 모두 적합한 구조를 구현했다.

실험 결과 새로 개발한 구조는 기존 티타늄 기반 수송층보다 성능과 내구성이 모두 향상된 것으로 나타났다. 왕복 효율(Round-Trip Efficiency)은 20mA/㎠ 조건에서 63.4%를 기록해 현재까지 보고된 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지 가운데 최고 수준의 효율을 달성했다.

또 1200mA/㎠의 초고전류밀도에서도 안정적으로 작동했으며, 반복 구동 시험에서도 우수한 내구성을 유지했다.

박 교수는 “이번 연구는 고효율 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지의 상용화 가능성을 높인 성과”라며 “수소 생산과 전력 공급이 동시에 필요한 선박·항공·우주 분야를 비롯한 다양한 산업에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국공학대 기민석 석사과정생과 서울대 이경아 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 이대현 한국공학대 졸업생과 민준호·조지훈·서은우·이희진 생명화학공학과 학생들이 공동 연구자로 참여했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Journal of Power Sources’에 게재될 예정이다.