KIST 김형준 박사팀, 소형·경량화 가능한 연료전지 기술 개발

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-02-19 12:00:17
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▲ KIST 수소·연료전지연구단 김형준 박사팀에서 개발한 신개념 연료전지인 이중교환막 연료전지. 왼쪽이 더 많은 전기를 발생시키기 위해 이중교환막 접합체를 차례로 적층한 연료전지 스택, 오른쪽을 KIST 김형준 박사팀이 고안한 연료전지용 이중교환막의 실물 이미지 [사진=KIST]

[IT비즈뉴스 최태우 기자] 수소전기차의 핵심인 연료전지 시스템은 일차·이차전지와 다르게 연료(수소)와 공기(산소)로 높은 효율의 전기에너지를 사용한다. 이를 위해서는 수분이 포함된 수소, 산소를 공급해야 하는데 부피가 큰 가습장치(공급장치)가 탑재된다.

연료전지 시스템의 소형화·경량화를 위한 과제로 남은 상태에서 국내 연구진이 가습장치가 필요없는 연료전지 개발하는 데 성공했다.

19일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면 KIST 수소·연료전지연구단 김형준 박사팀이 가습장치가 필요 없는 신개념 연료전지인 이중교환막연료전지(Dual exchange membrane fuel cells) 개발에 성공했다.

기존의 연료전지인 고분자전해질연료전지(PEMFC)와 고체알칼리막연료전지(AEMFC)는 80도 이하의 온도에서 가습된 수소와 산소를 공급하기 위해 별도의 가습기 장착이 필요하다. KIST 연구진이 개발한 이중교환막연료전지(DEMFC)는 전극에서 발생하는 수분이 외부로 배출되지 않고 다시 흡수되는 자가가습 특성으로 가습장치가 필요없다.

KIST 연구진은 고체알칼리막연료전지의 경우 수소가 공급되는 전극(anode), 고분자전해질연료전지는 산소가 공급되는 전극(cathode)에서 물이 생성되는 원리에 주목했다고 설명했다.

이를 응용해 두 개의 연료전지를 결합한 형태인 수소이온(H+) 전달막과 수산화이온(OH-) 전달막을 순차적으로 나란히 배열하는 이중교환막연료전지를 고안했다.

 

투명 셀을 이용해 실험 결과 새로운 구조의 이중교환막연료전지는 애노드와 캐소드 모두에서 물이 생성되는 것을 확인했다고 연구진은 밝혔다. 

▲ (왼쪽부터) KIST 채지언 연구원(박사과정, 1저자)과 이소영 선임연구원(1저자)가 연구팀에서 개발한 이중교환막 연료전지를 사용해 성능을 측정하고 있다.
이번에 개발한 이중교환막연료전지는 가습 없이 수소나 산소가 공급돼도 최고 850mW/㎠의 출력과 700시간 이상 지속되는 안정성을 보였다. 연구진은 이중교환막 연료전지 스택을 제조하고 약 50회 이상의 온/오프(on/off) 반복 운전 실험을 진행한 후에도 성능저하가 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 있을 것으로 본다”고 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.

 

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