국립안동대학교(총장 정태주) 전기·신소재공학부 이덕현 교수팀이 양성자 교환 막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs)의 성능을 효율적인 촉매 층(Catalyst Layers, CLs) 설계를 통해 향상시켰다.

▲ 논문 사진

연료전지 기술은 미래의 지속 가능한 에너지 솔루션으로 큰 기대를 받고 있으나 고가의 소재 사용으로 인한 한계가 제기되고 있다. 연료전지의 핵심 요소 중 하나인 촉매 층은 고가의 백금(Pt)과 나피온(Nafion)으로 이뤄져 있어 높은 비용을 동반한다. 이로 인해 최근에는 이들 소재의 사용량을 줄이는 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 그러나 이런 노력이 촉매 층 내에서의 물질 전달 능력을 약화시키고, 결과적으로 연료전지의 성능을 저하시키는 문제를 야기할 수 있다.

이번 연구에서는 연료전지의 성능 향상을 위해 혁신적인 다층 촉매 층 설계를 제시했다. 이 새로운 설계는 비용 절감과 성능 향상을 동시에 달성하기 위해 다양한 층에서 Pt-C 촉매와 Nafion 이온머의 사용량을 전략적으로 조절하는 방법을 활용한다.

연구 결과에 따르면 최적의 셀 성능을 달성하기 위해서는 막 층과 가까운 곳에서 이온머의 사용량을 높이고, 기체 확산 층과 가까운 곳에서는 Pt-C 촉매의 사용량을 증가시켜야 한다는 것을 확인했다. 또한 층 간 Pt-C와 Nafion 사용량 차이가 지나치게 크면 Pt 촉매의 비균일한 표면으로 인해 연료전지의 성능이 저하될 수 있다는 것도 밝혀냈다. 연구팀은 이러한 결과를 바탕으로 다층 촉매 층 설계를 최적화함으로써 전기화학 표면적(Electrochemical Surface Area, ECSA)을 증가시키고 최대 2배 이상의 뛰어난 효율을 달성할 수 있다는 결과를 얻었다.

이번 연구 성과는 연료전지의 효율을 극대화하면서도 비용을 절감시키는 핵심적인 방법을 제시했으며, 이로써 지속 가능한 에너지 생산의 가능성을 높였다. 이 연구결과는 Journal of Power Sources지에 8월 29일(화)자로 게재됐으며, 국립안동대학교와 한국생산기술연구원의 공동 연구로 수행됐다. 이 연구는 이덕현 교수와 송신애 박사의 지도 아래에서 신지훈(申智勳, 31) 연구원이 수행했다.

▲ 이덕현 교수(왼쪽), 송신애 박사(가운데), 신지훈 연구원(오른쪽)

<용어설명>

○ 양성자 교환 막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) : 수소와 산소를 화학 반응시켜 깨끗한 전기 에너지를 생성하는 기술로, 차량 및 휴대용 전자기기 등에 활용되며 환경 친화적인 특징을 갖추고 있다. 이 연료전지는 양성자와 전자의 이동을 프로톤 교환 막을 통해 조절하여 전기 에너지를 생산하며, 촉매 층에서 전기화학 반응이 진행된다.

○촉매 층(Catalyst Layer) : 연료전지 내부에서 전기화학반응의 핵심적인 역할을 담당하는 층으로, 수소와 산소가 만나 전기 에너지로 변환되는 과정이 진행된다. 일반적으로 단일 층으로 구성되어 있으며, 최근 연구에서는 촉매 층의 디자인을 통해 연료전지의 성능과 효율성을 높이는 방법을 모색하고 있다.