가볍고 구부릴 수 있는 '빨대 모양 수소 연료전지 스택' 개발

기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 조용훈 강원대 교수팀과 공동으로 가볍고 구부릴 수 있는 빨대 모양의 연료전지를 개발했다.

수소를 활용하는 연료전지는 수소(H2)와 공기 속 산소(O2)의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산한다. 이로 인해 전기에너지와 물만 생성되기 때문에 오염물질을 배출하지 않는 친환경 미래 에너지로 각광받는다.

특히 연료전지는 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 발전소나 수소자동차 등 대량의 에너지가 필요한 곳뿐만 아니라 스마트폰, 드론 등 휴대용 소형 전자기기에도 유용하게 쓰인다. 연료전지는 일반적으로 양측의 끝판, 분리막, 막전극접합체로 구성된다.

여기에서 양쪽 끝판은 막전극접합체에 균일한 압력을 전달되고 분리판은 수소와 산소를 섞이지 않게 분리하는 동시에 반응물의 통로 역할을 한다. 그러나 양쪽 끝판과 분리판은 전체 무게의 약 80%를 차지하며 지금까지는 경량화에 한계가 있었다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 기존보다 단순화되어 가볍고 다양한 모양으로 구성할 수 있는 연료전지 개발의 새로운 방향성을 제시했다.

연구과정을 보면 연구진은 무거운 양쪽 끝판과 분리판의 역할을 축소해 연료전지의 경량화 방법을 고안해냈다. 연구진은 종이컵을 쌓아 올리듯 원추형 유닛을 이어 주름진 빨대 형태의 연료전지를 설계했다.

이 과정에서 각 부품의 고정 장치와 구조 유지를 위한 양쪽 끝판을 제거해도 형태가 유지됐고 관의 안쪽을 연료(수소)의 통로로 외부를 공기(산소) 공급 면으로 활용해 분리판의 역할도 대체할 수 있음을 확인했다.

이를 통해 막전극접합체를 제외한 부품의 무게를 60% 이하로 대폭 줄일 수 있었고 빨대의 주름진 부분처럼 자유자재로 줄이거나 늘일 수도 있었다.

이와 관련해 제1저자인 황원찬 연구원은 “디자인된 종이접기 주름을 따라 접으면 부피를 50% 줄일 수 있고, 또 90°까지 유연하게 구부러진다”며 “접거나 구부려도 성능의 저하가 거의 없는 연료전지”라고 설명했다.

또 종이컵을 쌓듯 간단히 직렬연결을 할 수 있다는 장점도 있는데 높은 전압을 구동가능함은 물론 원하는 전압 및 전류의 연료전지 제작이 쉽다.

이 과정에서 2개의 유닛을 직렬연결한 연료전지의 무게는 0.22g, 부피는 0.565㎤ 수준으로 매우 작고 가볍지만 198mW의 전력과 897.7 W·kg-1의 비중 전력 밀도를 낼 수 있고 100회 이상 전류-전압 곡선 측정 시 같은 성능을 유지했다.

공동 교신저자인 조용훈 교수는 “이번 연구에서는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)를 개발했지만 이를 넘어 여러 전기화학 장치에 적용 가능할 것으로 보이고 수전해 등 수소 생산 장치에도 적용 가능하다”고 전했다.

이어 성영은 부연구단장은 “연료전지에 종이접기의 원리를 접목하여 가볍고 구부릴 수 있는 3차원 빨대 모양의 연료전지를 개발했다”며 “혁신적인 디자인의 도입을 통해 연료전지 분야가 눈에 띄게 발전할 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.