국립안동대학교 전기·신소재공학부 이덕현 교수팀이 양성자 교환 막 연료전지(PEMFCs)의 성능을 효율적인 촉매 층(CLs) 설계를 통해 향상시켰다.

연료전지 기술은 미래의 지속 가능한 에너지 솔루션으로 큰 기대를 받고 있으나 고가의 소재 사용으로 인한 한계가 제기되고 있다.

연료전지의 핵심 요소 중 하나인 촉매 층은 고가의 ‘백금’과 ‘나피온’으로 이뤄져 있어 높은 비용을 동반한다. 이로 인해 최근에는 이들 소재의 사용량을 줄이는 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

그러나 이런 노력이 촉매 층 내에서의 물질 전달 능력을 약화시키고, 결과적으로 연료전지의 성능을 저하시키는 문제를 유발할 수 있다.

이번 연구에서는 연료전지의 성능 향상을 위해 혁신적인 다층 촉매 층 설계를 제시했다. 이 새로운 설계는 비용 절감과 성능 향상을 동시에 달성하기 위해 다양한 층에서 Pt-C 촉매와 Nafion 이온머의 사용량을 전략적으로 조절하는 방법을 활용한다.

연구 결과에 따르면 최적의 셀 성능을 달성하기 위해서는 막 층과 가까운 곳에서 이온머의 사용량을 높이고, 기체 확산 층과 가까운 곳에서는 Pt-C 촉매의 사용량을 증가시켜야 한다는 것을 확인했다. 또한 층 간 Pt-C와 Nafion 사용량 차이가 지나치게 크면 Pt 촉매의 비균일한 표면으로 인해 연료전지의 성능이 저하될 수 있다는 것도 밝혀냈다.

연구팀은 이러한 결과를 바탕으로 다층 촉매 층 설계를 최적화함으로써 전기화학 표면적(ECSA)을 증가시키고 최대 2배 이상의 뛰어난 효율을 달성할 수 있다는 결과를 얻었다.

이번 연구 성과는 연료전지의 효율을 극대화하면서도 비용을 절감시키는 핵심적인 방법을 제시했으며, 이로써 지속 가능한 에너지 생산의 가능성을 높였다. 이 연구결과는 Journal of Power Sources지에 8월 29일자로 게재됐으며, 국립안동대학교와 한국생산기술연구원의 공동 연구로 수행됐다. 이 연구는 이덕현 교수와 송신애 박사의 지도 아래에서 신지훈 연구원이 수행했다.