고온연료전지, 산소와 인산 병목을 한 번에 제거

고온 연료전지의 출력은 소재 성능만으로 결정되지 않는다. 산소가 촉매층까지 도달하는 통로가 막히면 아무리 우수한 전해질막과 촉매를 넣어도 실제 전력으로 이어지지 않는다. 국내 연구진은 전극부터 가스 유로까지 물질 이동 경로를 통합 설계해 문제 해결의 실마리를 제시했다.

한국연구재단은 국민대학교 장세근 교수 연구팀이 고온 고분자전해질막 연료전지에서 산소 공급 부족과 전극 내 인산 축적 및 유출 문제를 동시에 완화한 통합 설계 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 7월 23일 화학공학·에너지 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 온라인 게재됐다.


연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 그린수소기술자립프로젝트 및 STEAM연구 지원으로 수행됐다.

가스확산층 대신 MWCNT 시트
고온 고분자전해질막 연료전지는 120~200℃에서 별도 가습 장치 없이 작동하고 일산화탄소 등 수소연료 내 불순물에 대한 내성이 높다. 이 때문에 대형 상용차, 선박, 분산발전처럼 높은 출력과 효율이 필요한 분야에서 활용 가능성이 주목받고 있다.

다만 출력을 높이려 산소 소비 속도가 빨라지면 촉매층까지 산소를 전달하는 과정에서 저항이 커진다. 인산이 전극 일부에 쏠리면 기공을 막고 산소 이동을 방해한다. 고출력 운전을 위해서는 산소 공급과 인산 분포를 동시에 관리해야 하는 구조적 과제가 남아 있었다.

연구팀은 기존 두꺼운 가스확산층을 제거하고 약 10μm 두께의 친수화 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 시트를 촉매층과 일체화한 전극 구조를 만들었다. 얇은 시트는 산소가 촉매층까지 이동하는 거리를 줄였고, MWCNT가 형성하는 다공성 네트워크는 얇은 전극의 기계적 안정성을 확보했다.

친수화된 MWCNT 네트워크는 전극 내부에 국부적으로 쌓인 인산의 일부를 흡수해 주변으로 재분배했다. 과도한 인산으로 기공이 막히는 침수 현상을 줄이고, 산소 이동 통로를 유지했다.

그래핀 코팅 니켈 폼 채널 적용
가스 공급 구조도 바꿨다. 기존 사형 분리판 유로 대신 그래핀 코팅 3차원 다공성 니켈 폼 채널을 적용했다.

3차원으로 연결된 기공은 산소를 전극 전체에 고르게 공급했다. 소수성 그래핀 표면은 인산이 채널 밖으로 빠져나가는 현상을 억제했다.

연구팀은 기존 구조, MWCNT 시트 일체형 전극 구조, 그래핀 코팅 니켈 폼 채널 구조, 두 기술을 함께 적용한 구조의 성능을 비교했다. 두 기술을 함께 적용하자 산소 전달 저항이 낮아지고 인산 분포가 안정화됐다.

그 결과 160℃에서 최대 출력밀도 1.03W cm-2를 달성했다.

셀 출력으로 이어지는 설계 전략
기존 연구가 촉매나 전해질막처럼 개별 소재의 성능을 높이는 데 집중했다면, 연구팀은 전극, 다공성 전달층, 채널을 하나의 물질전달 시스템으로 설계했다. 우수한 소재의 성능이 실제 연료전지 셀 출력으로 연결될 수 있는 경로를 제시한 점이 차별점이다.

장세근 교수는 “물질전달 병목을 줄여 차세대 이온쌍 전해질막과 고성능 촉매 등 우수한 소재의 성능이 실제 연료전지 셀 출력으로 이어지는 설계 방향을 제시했다”며 “대면적 연료전지 셀과 스택에서의 성능 및 장기 내구성을 검증하고 대량생산 공정과 경제성을 확보하면 상용차, 선박, 분산발전 등에 활용 가능할 것”이라고 말했다.

연구팀은 전극과 다공성 전달층, 3차원 채널을 통합 설계하는 방식이 물질전달이 성능을 좌우하는 수전해 장치 등 다양한 전기화학 에너지 시스템으로 확장될 수 있다고 내다봤다.