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메탄올 연료전지 핵심부품 개발
2018년 3월 1일 (목) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2018년 3월호 - 전체 보기 )

메탄올 연료전지 핵심부품 개발
휴대용·이동형 동력원 응용 기대

국내 연구진이 메탄올 연료전지의 핵심부품을 개발하여 전지의 성능을 비약적으로 향상시켰다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 강원대학교 조용훈 교수와 서울대학교 성영은·최만수 교수가 공동으로 고성능 직접메탄올 연료전지용 막-전극 접합체를 개발했다고 밝혔다.
직접메탄올 연료전지는 액체 메탄올의 전기화학반응에 의해 전기를 생산한다. 기존의 수소 연료전지에 비해 연료의 저장과 취급이 용이할 뿐만 아니라, 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 휴대용과 이동형 동력원으로의 응용이 기대된다.

자료 :
한국연구재단

고분자 전해질 막 표면에 나노 임프린트 공정
산화 전극 층 두께 감소… 물질 전달능력 향상
메탄올은 산화반응이 매우 느리게 발생하고, 산화전극으로 공급된 메탄올이 환원전극으로 투과되면서 전기에너지 생산을 저해하는 문제점이 있어서 상용화되는 데 한계가 있었다. 연구팀은 문제 해결을 위해 두 종류의 새로운 나노 구조를 연료전지 막-전극접합체에 적용했다.

첫 번째로, 고분자 전해질 막 표면에 나노 임프린트 공정*을 통해 10um 프리즘 및 800nm닷의 계층 패턴을 형성하였으며, 이를 적용했을 때 기존에 비해 향상된 메탄올 산화 특성을 나타내었다.

*나노 임프린트 공정 : 나노 구조의 패턴을 가진 스탬프로 고분자에 열과 압력을 주어 눌러 스탬프와 역상의 나노 구조를 새기는 공정으로 재현성이 높고 공정이 간단함.

이러한 계층 패턴을 적용한 경우 산화전극 층의 두께가 8.0um에서 6.9um로 감소하여 물질 전달이 향상되었으며, 막-전극 계면의 확장으로 전기화학적 활성 표면적이 기존에 비해 5.5 % 증대되었다.

또한, 계층 패턴이 형성된 전해질 막 위에 약 40nm 두께의 금 층을 코팅한 뒤, 이를 패턴의 수직방향으로 연신(stretching)시켜 수십 나노미터의 균열을 프리즘 패턴의 골짜기를 따라 균일하게 형성했다.

이 방법으로 개발된 새로운 나노 구조를 적용한 결과 메탄올 크로스오버가 80% 수준으로 감소했다. 또한, 기존 연구들과 달리 장벽층 내에 균일하게 형성된 균열을 통해 수소이온의 이동 경로가 발달할 수 있도록 하여 기존의 막-전극접합체와 유사한 옴-저항을 나타내
어 부정적 효과를 최소화했다.

특히 나노 구조 도입의 시너지 효과로 두 공정이 모두 적용된 직접 메탄올 연료전지는 출력밀도가 기존에 비해 1.5M, 메탄올 조건에서는 30.5%, 3.0M 메탄올 조건에서는 43.2%로 크게 향상됨을 확인했다.

이번 연구 결과로 개발된 막-전극접합체의 경우 백금사용량 대비 전력 밀도(85mW/mgPt)가 상용 막-전극 접합체의 경우( ~30mW/mgPt)보다 2배 이상 향상된 것을 확인했다.
[그림 1] 막-전극 접합체의 제작과정을 나타낸 모식도
[그림 2] 나노 구조를 도입함으로써 얻는 장점을 요약한 개략도
[그림 3] 나노 구조 도입 전후의 전해질 막 표면 및 산화전극 층에 대한 전자현미경 사진
[그림 4] 새로운 나노 구조를 직접메탄올 연료전지에 적용했을 때의 출력 성능
 
 
직접 메탄올 연료전지 상용화 앞당길 듯
드론 등 비행시간 획기적으로 증가할 수도
액체 연료를 사용하는 직접 메탄올 연료전지의 경우 높은 에너지 밀도와 함께 연료의 취급체계가 간단하여 휴대형과 이동형 전력원으로 유리한 측면이 많았으나, 낮은 성능이 상용화의 큰 걸림돌이었다. 이 연구결과를 통해 직접 메탄올 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있었고, 이는 직접 메탄올 연료전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

특히 드론 등의 전력원으로 이용되는 전지를 이와 같은 고 에너지 밀도의 연료전지로 대체할 경우, 비행시간의 획기적 증가가 가능하므로 드론의 활용범위 또한 비약적으로 향상될 것으로 기대된다.

조용훈 교수는 “이 연구는 촉매·전해질 등 물질을 변화시키지 않고 막-전극 접합체의 구조를 변형함으로써, 메탄올 연료전지의 낮은 성능 한계를 극복해낸 것”이라며, “이러한 고 에너지 밀도의 연료전지를 드론의 전력원으로 사용하면, 비행시간을 획기적으로 늘릴 수 있기 때문에 활용 범위가 비약적으로 확장될 수 있다”고 연구 의의를 설명했다.

이 연구는 한국연구재단 이·공학 개인기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 나노기술분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy) 1월호에 게재됐다.
(논문명) Interface engineering for high-performance direct methanol fuel cells using multiscale patterned membranes and guided metal cracked layers
(저자 정보) 조용훈 교수(교신저자, 강원대학교), 성영은 교수(교신저자, 서울대학교 IBS 나노입자연구단), 최만수 교수(교신저자, 서울대학교), 김상문 교수(인천대학교), 김성준 박사과정(제1저자, 서울대학교), 장세근 박사(제1저자, 서울대학교), 최지우, 연제현, 방기준, 안치영, 황원찬, 허민(이상 서울대학교)

<Energy News>

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태그 : 메탄올 연료전지 핵심부품 휴대용 이동형 동력원 한국연구재단
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