강원대학교(총장 김헌영) 에너지공학부 조용훈 교수가 서울대 성영은․최문수 교수와 함께 고성능 직접메탄올 연료전지용 막-전극 접합체를 개발했다.

직접메탄올 연료전지는 액체 메탄올의 전기화학반응에 의해 전기를 생산한다. 기존의 수소 연료전지에 비해 연료의 저장‧취급이 용이할 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 휴대용‧이동형 동력원으로의 응용이 기대된다. 그러나 메탄올의 산화반응이 매우 느리게 발생하고, 산화전극으로 공급된 메탄올이 환원전극으로 투과되면서 전기에너지 생산을 저해하는 문제점이 있어서 상용화되는 데에 한계가 있었다.

연구팀은 메탄올의 산화반응이 발생하는 막-전극 접합체에 간단한 공정을 통해 마이크로‧나노 규모의 구조를 도입함으로서 느린 반응속도와 메탄올 투과문제를 동시에 해결했다.

먼저, 전해질 막 표면을 나노구조 계층으로 패턴화하여, 산화전극 특성을 향상하고 반응속도를 증가시켰다. 또한, 이 패턴의 골짜기를 따라 균일한 나노-균일(crack)을 갖는 금 층을 표면에 도입함으로서, 메탄올이 투과되지 않도록 제한했다.

제작된 막-전극 접합체를 직접메탄올 연료전지에 적용하면 전력 밀도가 최대 42.3% 향상되었다. 또한 제작된 막-전극접합체의 백금 촉매 사용량 대비 전력 밀도(85mW/mgPt)는 상용 막-전극 접합체와 비교하여 2배 이상 향상되었다는 것이 실험으로 입증되었다.

조용훈 교수는 “이 연구는 촉매‧전해질 등 물질을 변화시키지 않고 막-전극 접합체의 구조를 변형함으로서, 메탄올 연료전지의 낮은 성능 한계를 극복해낸 것”이라며, “이러한 고에너지밀도의 연료전지를 드론의 전력원으로 사용하면 비행시간을 획기적으로 늘릴 수 있어, 활용범위가 비약적으로 확장될 수 있다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구는 한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업의 지원으로 수행되었다. 나노기술분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy) 1월호에 게재되었다.