‘이중교환막연료전지’ 드론 전원장치 활용 기대

수소전기차의 심장인 연료전지 시스템은 1·2차 전지와 다르게 연료(수소)와 공기(산소)만 공급하면 높은 효율의 전기 에너지를 계속해서 사용할 수 있다. 하지만 안정적으로 전기를 발생시키기 위해서는 수분이 포함된 수소와 산소를 공급해야하기 때문에 상당한 부피와 무게의 수분 공급장치(가습장치) 장착이 필요하다. 이는 연료전지 시스템의 소형·경량화를 위해 반드시 해결해야 할 과제로 남아있었다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단 김형준 박사팀은 가습장치가 필요 없는 신개념 연료전지인 이중교환막연료전지(Dual exchange membrane fuel cells) 개발에 성공했다고 밝혔다.

기존 연료전지인 양이온 교환막 기반 고분자전해질연료전지(PEMFC)와 음이온 교환막 기반 고체알칼리막연료전지(AEMFC)는 80℃ 이하의 온도에서 가습된 수소와 산소를 공급하기 위해 별도의 가습기 장착이 필요하다. 반면 KIST 연구진이 개발한 이중교환막연료전지(DEMFC)는 전극에서 발생하는 수분이 외부로 배출되지 않고 다시 흡수되는 자가 가습 특성이 있다.

이중교환막연료전지의 작동원리,

KIST 연구진은 고체알칼리막연료전지의 경우 수소가 공급되는 전극(애노드), 고분자전해질연료전지는 산소가 공급되는 전극(캐소드)에서 물이 생성되는 원리에 주목했다. 이를 응용하여 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 박사팀이 개발한 신개념 연료전지인 이중교환막 연료전지.
(좌측) 더 많은 전기를 발생시키기 위해 이중교환막 접합체를 차례로 적층한 연료전지 스택
(우측) KIST 김형준 박사팀이 고안한 연료전지용 이중교환막의 실물 사진.

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

* (논문명) Dual Exchange Membrane Fuel Cell with Sequentially Aligned Cation and Anion Exchange Membranes for Non-humidified Operation

– (제1저자) 한국과학기술연구원 수소·연료전지연구단 이소영 선임연구원

– (제1저자) 한국과학기술연구원 수소·연료전지연구단 채지언 박사과정

– (교신저자) 한국과학기술연구원 수소·연료전지연구단 김형준 책임연구원

– (교신저자) 한국과학기술연구원 수소·연료전지연구단 장종현 책임연구원

– (교신저자) 서울시립대 기계정보공학과 나영승 교수

*용어설명

1. 애노드

수소가 유입되는 전극으로 수소의 산화반응이 일어난다.

2. 캐소드

산소가 유입되는 전극으로 산소의 환원반응이 일어난다.

3. 고분자전해질연료전지

수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 이용하는 연료전지로 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하다. 또한, 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다.

4. 고체알칼리막연료전지

수산화이온을 캐소드에서 애노드로 전달시킬 수 있는 고체 전해질을 이용해 전기를 발생시키는 연료전지로 KOH 용액을 이용한 전통적인 알칼리연료전지를 대체할 수 있다.

5. 스택

한 장의 전해질막과 두 개의 전극으로 연료전지의 막전극접합체를 제조할 수 있는데, 하나의 막전극접합체로 생산할 수 있는 전기의 양은 제한적이다. 더 많은 전기를 발생시키기 위해 막전극접합체를 차례로 적층한 스택을 제조한다. 막전극접합체의 면적이 넓으면 전류가 증가하게 되고, 적층의 숫자를 늘리면 전압이 상승하게 된다.