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종이접듯 구부리는 수소 연료전지 개발…강원대 조용훈 교수팀

2021-09-13 09:07
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3차원 빨대 모양의 고분자 전해질 막 연료전지(PEFMC) 스택 모식도. 사진=강원대학교
[글로벌에픽 유경석 기자]
종이접기 원리를 이용해 가볍고 구부릴 수 있는 연료전지가 개발됐다. 3차원 빨대 모양으로, 드론, 로봇, 모바일 기기에 활용이 가능할 전망이다.

강원대학교 공학대학 에너지공학부 조용훈 교수 연구팀(수소산업연구추진단)이 가볍고 구부릴 수 있는 3차원 빨대 모양의 고분자 전해질 막 연료전지(PEFMC) 스택을 개발했다.

조용훈 교수는 기초과학연구원 나노입자연구단 성영은 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀과 공동으로 연구를 수행했다.

이번 연구성과는 기존 6면체 모양 연료전지에 비해 단순화된 부품과 구조로, 가벼운 무게와 다양한 모양을 구성할 수 있다는 점이다.

수소를 활용하는 연료전지는 수소(H2)와 공기 속 산소(O2)의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 장치로 얻어낸 반응 결과물이다. 전기에너지와 물(H2O)만 생성돼 오염물질을 배출하지 않는 친환경 미래 에너지로 주목받고 있다.

특히 연료전지는 높은 에너지 밀도를 갖고 있어 발전소, 수소 자동차 등 대량의 에너지가 필요한 곳뿐만 아니라 스마트폰, 노트북, 드론과 같은 휴대용 소형 전자기기에도 활용이 가능한 장점이 있다.

기존 연료전지는 전지 내부에 균일한 압력을 전달하는 양쪽의 끝판, 수소와 산소가 섞이지 않게 하는 분리판, 막전극접합체(MEA) 등으로 구성돼 있다.

하지만 전체 무게의 약 80%를 차지하는 양쪽 끝판과 분리판으로 인해 경량화에 한계가 있었다.

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강원대학교 공학대학 에너지공학부 조용훈 교수. 사진=강원대학교

조용훈 교수 연구팀은 원추형 유닛을 종이컵과 같이 쌓아 올리는 빨대 모양의 연료전지 설계를 통해, 양쪽 끝판을 제거하고 분리판의 역할을 축소하여 연료전지의 경량화 방법을 고안해냈다.

특히, 연료전지 관의 안쪽을 연료(수소)의 통로로, 외부를 공기(산소) 공급 면으로 활용해 분리판의 역할을 대체하고, 양쪽 끝판과 고정장치 등의 부품을 줄여 연료전지의 무게를 60% 이하로 줄이는데 성공했다.

또한, 새로운 연료전지는 원추형 역 트러스 디자인 종이접기를 통해 구부러지는 빨대처럼 자유자재로 줄이거나 늘일 수 있으며, 2개의 셀을 직렬 연결할 경우 0.22g, 0.565㎤ 의 무게와 부피로 매우 작고 가벼우면서도, 성능은 198㎽의 전력과 897.7W·kg-1의 비중 전력 밀도를 낼 수 있다.

조용훈 강원대 에너지공학부 교수는 "새로운 연료전지 구조는 고분자 전해질 막 연료전지 뿐 아니라 고분자의 막전극접합체가 적용되는 전기화학 장치에 적용이 가능하다"며 "동일한 원리를 적용하여 수전해 등과 같은 수소 생산장치 기술 개선에도 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 미국화학회에서 발행하는 에너지 분야 학술지인 ACS Energy Letters(IF=23.101) 8월 19일자 온라인 판에 게재됐다.

유경석 글로벌에픽 기자 kangsan0691@naver.com

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