연료전지 효율 20%이상 높였다

김형만 인제대 교수팀, 물 배출 통로 만들어

국내 연구진이 수소와 산소 이온 반응으로 전기를 생산하는 연료전지의 효율을 20%이상 높였다.

교육과학기술부와 한국연구재단은 김형만 인제대 교수 연구팀이 연료전지에서 수소와 산소가 흐르는 통로(채널)를 독창적으로 설계, 연료전지의 `물 넘침(Water flooding)` 문제를 해결하는데 성공했다고 18일 밝혔다.

기본적으로 연료전지는 음극 쪽에서 수소가 촉매를 만나 전자를 잃고 양(+)이온이 되면, 이 수소 이온들이 중간막(멤브레인)을 통과해 양극 쪽의 산소 음(-)이온 쪽으로 이동하면서 전류가 만들어지는 구조다.

그러나 연료전지 양극 쪽에서 수소와 산소 이온이 결합해 만들어진 물이 수소와 산소 이온의 화학 반응을 방해하는데, 이를 `물 넘침` 현상이라고 한다. 따라서 이 문제를 해결하고 물을 밖으로 원활히 배출하는 기술은 연료전지 상용화의 관건이다.

연료전지의 음·양극에는 각각 수소와 산소가 입구로 들어가서 출구로 빠져나오도록 설계된 판(분리판)이 있고, 이 판에는 기체가 흐를 수 있는 일종의 `도랑(채널)`이 파여있다.

수소는 음극쪽 분리판, 산소는 양극쪽 분리판의 도랑을 따라 흐르면서 두 판 사이의 중간막(멤브레인)을 통해 수소 양이온의 이동이 이뤄지는 것이다.

일반 연료전지의 분리판에는 보통 5개의 도랑이 파여있다. 도로에 비유하자면 5차선인 셈이다.

그러나 연구팀은 이 도랑 사이 둔덕마다 또 다른 작은 도랑을 만들었다. 5개 큰 도랑과 달리, 이 작은 도랑에는 수소나 산소와 같은 기체가 주입되지 않는다. 대신 작은 도랑을 통해서는 연료전지 내 화학반응의 결과로 만들어진 물이 흐르고, 빠져나간다.

실험 결과, 물 배출이 원활한 이 연료전지의 전력밀도는 기존 연료전지에 비해 23%나 높았다. 전력밀도는 에너지원의 단위 부피(체적)당 생산할 수 있는 에너지(㎾) 양을 말한다. 따라서 전력밀도가 높은 연료전지는 그만큼 작고 효율이 좋다는 뜻이다.

김형만 교수는 "이번 연구 성과는 97%이상의 에너지를 수입에 의존하고, 세계 10대 온실가스 배출국인 우리나라의 신재생에너지 활성을 위해 필요한 원천기술"이라며 의의를 설명했다.

이 논문은 전기화학분야 권위지 `일렉트로케미스트리 커뮤니케이션즈(Electrochemistry Communications) 온라인판에 실렸다.

<김형만 교수팀이 설계한 연료전지 분리판의 기체 통로(채널)>

<김형만 인제대 교수>

[연합뉴스]