고성능 직접메탄올 연료전지용 핵심부품 개발

현재 상용화에 가장 근접한 수소연료전지는 가연성 폭발성 기체인 수소를 연료로 사용하여 연료의 보관 및 취급에 제한이 있다.

직접메탄올 연료전지(DMFC)는 기존의 수소 기반 연료전지에 비해 높은 에너지 밀도(4800 Wh/L)를 가질 뿐 뿐 아니라 액상 연료를 사용함으로써 연료의 보관 및 취급이 용이해 다양한 응용 가능성이 제기되었다.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 느린 메탄올 산화반응이 제한 사항으로, 활성이 높은 백금 촉매를 산화전극으로 이용하여도 메탄올을 산화시켜 전자와 수소이온을 발생하는 과정이 매우 느리다.

또한 산화전극으로 공급된 메탄올이 전해질 막을 통해 환원전극으로 투과(메탄올 투과)되어 환원전극에서 산소가 환원되는 반응을 방해하기 때문에 전기화학적 환원반응 역시 매우 느린 편으로, 느린 메탄올 산화반응과 함께 성능을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다.

국내 연구진이 메탄올 연료전지의 핵심부품을 개발하여 전지의 성능을 비약적으로 향상시켰다. 강원대학교 조용훈 교수가 서울대학교 성영은 교수·최만수 교수와 함께 고성능 직접메탄올 연료전지용 막-전극 접합체를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.

연구팀은 메탄올의 산화반응이 발생하는 막-전극 접합체에 간단한 공정을 통해 마이크로‧나노 규모의 구조를 도입함으로서 느린 반응속도와 메탄올 투과문제를 동시에 해결했다.

먼저 전해질 막 표면을 나노구조 계층으로 패턴화하여, 산화전극 특성을 향상하고 반응속도를 증가시켰다. 또한, 이 패턴의 골짜기를 따라 균일한 나노-균일(crack)을 갖는 금 층을 표면에 도입함으로서, 메탄올이 투과되지 않도록 제한했다.

제작된 막-전극 접합체를 직접메탄올 연료전지에 적용하면 전력 밀도가 최대 42.3% 향상되었다. 또한 제작된 막-전극접합체의 백금 촉매 사용량 대비 전력 밀도(85mW/mgPt)는 상용 막-전극 접합체와 비교하여 2배 이상 향상되었다는 것이 실험으로 입증되었다.

액체 연료를 사용하는 직접메탄올연료전지의 경우 높은 에너지 밀도와 함께 연료의 취급 체계가 간단하여 휴대형·이동형 전력원으로 유리한 측면이 많았으나, 낮은 성능 문제가 상용화의 큰 걸림돌이었다. 이 연구 결과를 통해 직접메탄올연료전지의 성능을 크게 향상 시킬 수 있었고 이는 직접메탄올연료전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

특히, 드론 등의 전력 원으로 이용되는 전지를 이와 같은 고에너지밀도의 연료전지로 대체할 경우 비행시간의 획기적 증가가 가능하므로 드론의 활용범위 또한 비약적으로 향상될 것으로 기대된다.