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메탄올 연료전지 핵심부품 개발…"드론 장시간 비행"

느린 반응속도·메탄올 투과 한계 동시에 극복

(위) 막-전극 접합체 제작과정을 나타낸 모식도. (아래) 나노구조를 도입해 얻는 장점을 요약한 개략도. 두 가지 구조 영향을 구분했다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국연구재단은 조용훈 강원대 교수가 성영은·최만수 서울대 교수와 함께 고성능 직접메탄올 연료전지용 막-전극 접합체를 개발했다고 1일 밝혔다.

직접메탄올 연료전지(DMFC)는 메탄올과 산소의 전기화학반응으로 전기를 만드는 에너지변환 시스템이다.

액상 연료를 사용하기 때문에 에너지 밀도가 높다. 기존 수소 연료전지보다 연료 저장·취급도 쉽다.

그러나 메탄올 산화 반응이 매우 느리게 발생하는 데다 산화 전극으로 공급한 메탄올이 환원 전극으로 투과하면서 전기에너지 생산을 저해하는 문제점이 있다.

크로스오버라고도 부르는 메탄올 투과는 산화전극으로 유입된 메탄올이 고분자 전해질막을 통해 환원전극으로 투과하는 현상이다. 산소 환원반응을 방해할 뿐만 아니라 내부 회로를 형성해 전체 에너지 효율을 떨어뜨린다.

막-표면의 전자현미경 사진과 출력 성능
막-표면의 전자현미경 사진과 출력 성능왼쪽은 나노구조 도입 전후 전해질 막 표면과 산화전극 층에 대한 전자현미경 사진. 오른쪽은 새로운 나노구조를 직접메탄올 연료전지에 적용했을 때 출력 성능 그래프. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

연구팀은 메탄올 산화 반응이 발생하는 막-전극 접합체에 마이크로·나노 규모의 구조를 도입했다.

이를 통해 느린 반응속도와 메탄올 투과문제를 동시에 해결했다.

전해질막 표면을 나노구조 계층으로 패턴화한 다음 산화 전극 특성을 극대화하고 반응속도를 높였다.

아울러 패턴 골짜기를 따라 균일한 나노-균일을 갖는 금층을 표면에 도입해 메탄올이 투과하지 않도록 했다.

이 막-전극 접합체를 직접메탄올 연료전지에 적용했더니 전력 밀도가 최대 42.3% 향상했다.

백금 촉매 사용량 대비 전력 밀도가 상용 막-전극 접합체보다 2배 이상 좋아진다는 것도 실험을 통해 입증했다.

조용훈 교수는 "촉매 변화 없이 막-전극 접합체 구조를 변형해 메탄올 연료전지의 낮은 성능 한계를 극복해낸 것"이라며 "고에너지 밀도의 연료전지를 드론 전력원으로 사용하면 비행시간을 획기적으로 늘릴 수 있을 것"이라고 강조했다.

연구는 한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업 지원으로 수행했다.

성과를 담은 논문은 '나노 에너지'(Nano Energy) 1월호에 실렸다.

walden@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2018/02/01 12:00 송고

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