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왼쪽부터 한국공학대 융합기술에너지대학원 박지은 교수, 서울대 나금비 박사과정학생, 이경아 박사, 한국공학대 융합기술에너지대학원 기민석 석사과정생, 생명화학공학과 이대현 학사과정생. |
[대학저널 온종림 기자] 한국공학대학교 융합기술에너지대학원 박지은 교수 연구팀이 차세대 친환경 에너지 장치인 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지(AEM-URFC)의 효율을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 새로운 전극 구조를 개발했다.
AEM-URFC는 하나의 장치에서 ‘물 → 수소’(수전해)와 ‘수소 → 전기’(연료전지) 변환을 모두 수행하는 시스템이다. 재생에너지로 만든 전기를 남는 시간에 수소로 저장해 두었다가, 필요할 때 다시 전기로 사용할 수 있어 잉여 전력 활용과 친환경 수소 생산에 적합하다.
하지만 기존 장치는 값비싼 귀금속 촉매를 사용해야 하거나, 효율이 낮아 상용화에 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전극을 두 개 층(더블레이어)으로 설계했다. 안쪽 층은 연료전지 작동 시 성능을 높이는 촉매층(나노촉매+이오노머 혼합), 바깥 층은 수전해 작동 시 전기 흐름을 원활하게 하는 탄소나노튜브 구조이다.
이 설계 덕분에 전기를 만드는 과정과 수소를 만드는 과정, 두 가지 작동 모드에서 모두 높은 효율을 낼 수 있었다.
실험 결과, 에너지 전환 효율(round-trip efficiency)이 59.2%로 세계 최고 수준을 기록했으며, 높은 전류밀도 조건(750 mA cm⁻²)에서도 효율을 보이며 해당 전류밀도에서의 구동 가능성을 확인했다.
박지은 교수는“이번 성과로 친환경 수소에너지를 보다 효율적이고 경제적으로 사용할 수 있는 길이 열렸다”며, “향후 수소차, 재생에너지 발전소, 분산형 전력망 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 서울대 이경아 박사(제1저자), 나금비 박사과정생(제1저자), 한국공학대 기민석 석사과정생(공저자), 이대현 학사과정생(공저자)이 공동으로 수행했다.
연구결과는 ‘Realizing Breakthrough Round-Trip Efficiency of the Anion-Exchange Membrane-Unitized Regenerative Fuel Cell Double-Layer Oxygen Electrode with a Carbon Nanotube Skeleton’이라는 제목으로, 화학공학 분야 권위 있는 국제 학술지 ACS Catalysis(IF=13.1)에 8월 1일자로 게재됐다.
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