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"드론 장시간 비행" 메탄올 연료전지 '핵심부품' 개발

조용훈 강원대 교수 "고에너지밀도 연료전지 활용범위 확장될 것"
새로운 나노구조의 막-전극 접합체 제작 과정과 그 영향.<사진=한국연구재단 제공>새로운 나노구조의 막-전극 접합체 제작 과정과 그 영향.<사진=한국연구재단 제공>

국내 연구팀이 메탄올 연료전지의 핵심부품을 개발했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 조용훈·성영은 강원대학교 교수와 최만수 서울대학교 교수 연구팀이 고성능 직접메탄올 연료전지용 막-전극 접합체를 개발했다고 1일 밝혔다.

직접메탄올 연료전지는 액체 메탄올의 전기화학 반응에 의해 전기를 생산한다. 기존의 수소 연료전지보다 연료의 저장·취급이 용이할 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 휴대용·이동형 동력원으로의 응용이 기대된다.

하지만 메탄올의 산화 반응이 느리게 발생하고 산화 전극으로 공급된 메탄올이 환원 전극으로 투과되면서 전기에너지 생산을 저해시켜 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 메탄올의 산화 반응이 발생하는 막-전극 접합체에 간단한 공정을 통해 마이크로·나노 규모의 구조를 도입했다. 느린 반응속도와 메탄올 투과문제를 동시에 해결했다.

먼저 전해질 막 표면을 나노구조 계층으로 패턴화해 산화 전극 특성을 향상하고 반응속도를 증가시켰다. 또 패턴의 골짜기를 따라 균일한 나노-균일을 갖는 금 층을 표면에 도입함으로써 메탄올이 투과되지 않도록 제한했다.

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

조용훈 교수는 "촉매·전해질 등 물질을 변화시키지 않고 막-전극 접합체의 구조를 변형함으로써 메탄올 연료전지의 낮은 성능 한계를 극복해낸 것"이라며 "이러한 고에너지밀도의 연료전지를 드론의 전력원으로 사용하면 비행시간을 획기적으로 늘릴 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 나노기술분야 국제학술지 '나노 에너지(Nano Energy)' 1월호에 게재됐다.
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