‘CNT-니켈’ 활용해 고온연료전지 고출력 한계 극복하는 기술 개발

국내 연구진이 CNT와 그래핀을 코팅한 니켈을 활용해 고온연료전지의 고출력 한계를 극복해 주목받고 있다. 연구진은 전극부터 가스 유로까지 물질의 이동 경로를 통합 설계해, 고온 연료전지의 고출력 운전을 가로막던 산소 공급 부족과 전극 내 인산 축적 및 유출 문제를 동시에 해결했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 국민대학교 장세근 교수 연구팀이 기존의 두꺼운 가스확산층(GDL : 연료전지의 촉매층에 산소나 수소를 전달하고 전극을 지지하는 다공성 부품)을 얇은 다공성 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 시트로 대체해 촉매층과 일체화하고, 기존 사형(蛇形) 분리판 유로 대신 그래핀 코팅 3차원 다공성 니켈 폼 채널을 적용해 고온 연료전지의 산소 전달과 인산 분포를 동시에 개선했다고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 그린수소기술자립프로젝트와 STEAM연구 지원으로 수행됐으며, 화학공학·에너지 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 7월 23일 온라인 게재됐다.

수소연료전지의 활용 범위가 대형 상용차, 선박 및 발전 시스템으로 확대되면서 높은 출력과 효율을 확보할 수 있는 고온 고분자전해질막 연료전지(HT-PEMFC)가 주목받고 있다. 고온 연료전지는 120~200 ℃의 고온에서 별도 가습 없이 운전 가능하고 불순물 내성이 높지만, 출력을 높일수록 산소 전달 저항과 전극 내 인산 관리 문제로 실제 셀 출력 향상으로 이어지는 데 한계가 있었다.

연구팀은 기존의 두꺼운 가스확산층 대신 약 10μm 두께의 친수화 MWCNT 시트를 촉매층과 일체화했다. 얇은 MWCNT 시트는 산소가 촉매층까지 이동하는 거리를 줄이는 동시에 다공성 네트워크를 통해 전극의 기계적 안정성을 확보했다. 또한 전극 내부에 국부적으로 축적된 인산의 일부를 MWCNT 다공성 네트워크로 재분배함으로써 전극 기공이 막히는 현상을 줄였다.

더불어, 기존 사형 분리판 유로 대신 그래핀을 코팅한 3차원 다공성 니켈 폼 채널을 적용했다. 3차원으로 연결된 기공은 산소를 전극 전체에 균일하게 공급하고, 소수성 그래핀 코팅으로 인산의 외부 유출을 억제했다.

두 기술을 동시에 적용한 결과 산소 공급과 인산 분포가 개선되며 물질전달 저항*이 크게 감소해, 160 ℃에서 최대 출력밀도 1.03 W cm-2를 달성했다.

장세근 교수는 “이번 연구는 물질전달 병목을 줄여 차세대 이온쌍 전해질막과 고성능 촉매 등 우수한 소재의 특성이 실제 연료전지 셀 출력으로 이어지는 설계 방향을 제시했다”며 “향후 대면적 연료전지 셀과 스택에서의 성능 및 장기 내구성을 검증하고 대량생산 공정과 경제성을 확보하면 상용차, 선박, 분산발전 등 고출력·고효율 에너지시스템에 활용 가능할 것”이라고 기대를 밝혔다.