일체형 재생 연료전지는 수소를 생산하는 수전해 장치와 전력을 생산하는 연료전지 장치가 하나의 장치로 결합된 형태로, 수소에너지를 기반으로 하는 에너지 변환 및 저장 장치이다. 이를 신재생에너지와 연계하여 결합하면, 신재생에너지의 잉여전력이 발생하면 수전해 모드로 구동하여 수소를 생산하여 저장해둘 수 있다. 역으로, 전력의 수요가 높아지게 되면 연료전지 모드로 구동하여 전기를 생산할 수 있다. 현재 주로 개발 중인 형태는 양이온 교환 막 전해질 일체형 재생 연료전지이지만, 해당 장치는 비싼 귀금속을 사용되기 때문에 음이온 교환 막 일체형 재생 연료전지 개발 수요가 높아지고 있다.
음이온 교환 막 일체형 재생 연료전지는 음이온 교환 막을 전해질로 사용하는 장치로, 알칼리 분위기에서 구동이 가능하다. 이에, 값싼 비귀금속 촉매 및 소재를 사용할 수 있어 가격 저감 가능성을 보인다. 하지만, 해당 장치의 고효율 산소 전극 개발이 초기 단계이기 때문에 낮은 효율 및 안정성을 보이고 있다.
이를 해결하기 위해, 연구팀은 일정한 간격을 가지는 탄소나노튜브 시트를 이용하여 다공성 산소 전극을 설계하였다. 탄소나노튜브 시트의 적층 방향을 변화시켜 적용한 결과, 사각형 모양의 매크로 사이즈 기공을 가지는 탄소나노튜브 기판 제조 과정을 수립하였고, 이 기판에 촉매를 로딩하여 산소 발생 반응과 산소 환원 반응이 동시에 일어나는 산소 전극을 개발하였다. 그 결과, 현재 보고된 효율 중 가장 높은 효율을 구현하였고, 높은 전류 밀도 (250 mA cm-2)에서의 구동에서도 높은 round-trip efficiency를 유지하였다. 또한, 사이클 테스트를 통해서 연료전지와 수전해 모드에서의 내구성을 확인했다.
이번 연구 결과는 'Hierarchical mesh-type oxygen electrode using carbon nanotube framework for anion-exchange membrane-based unitized regenerative fuel cells'라는 제목으로 화학공학 분야 저명 국제 학술지 Chemical Engineering Journal (IF=15.1) 24년 7월 일자로 게재됐다.
노희근기자 hkr1224@dt.co.kr
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