파워뱅크 연료전지 출력 극대화 조건 규명

   - 전해질 용액 弱알칼리때 최적…기존 조건 대비 연료전지 출력 71% 향상

   - 휴대용 전기공급 장치에 적용 가능…이재영 교수팀, ACS Catalysis 논문

 

 

   

 

(왼쪽) 이산화탄소 재자원화를 통해 얻은 개미산을 사용하는 연료전지 개념도. (오른쪽) 개미산의 pH에 따른 연료전지 성능 비교. 연료의 pH가 약 알칼리일 때 가장 높은 성능을 보이는 것을 확인 

 

 

 

□ GIST(광주과학기술원) 환경공학부 이재영 교수팀(에틀(Ertl) 촉매 연구센터)이 이산화탄소로부터 얻은 개미산(포름산·HCOOH)을 사용한 연료전지의 출력을 높일 수 있는 최적 운전 조건을 밝히는 데 성공했다.

 

  ∘ 이번 성과는 촉매 종류와 관계없이 연료전지의 출력 값을 높일 수 있는 조건을 규명한 것으로, 응급 시 필요한 휴대용 전기공급 장치(파워뱅크 또는 파워팩)의 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.

 

□ 액체상태인 개미산은 연료로서 공급할 때 관리가 쉽고 산화 반응 속도가 빠르며 연료 크로스오버* 현상이 덜 일어나기 때문에, 최근 휴대용 전기공급 장치의 연료로 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

 

  * 크로스오버(crossover): 연료가 산화극에서 이온교환막을 통과하여 환원극으로 넘어가는 현상으로, 이 때문에 환원극에서 연료 산화반응이 일어나 연료전지 성능이 저하된다.

 

  ∘ 액체 연료전지의 경우 (수소 연료전지와 비교해) 낮은 출력 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있는데, 최근 개미산 연료전지의 출력 향상을 위한 최적 산화 조건에 대한 연구에서 전해질 용액의 pH(수소이온농도) 값이 3.7일 때 개미산의 산화 속도가 가장 빠르다는 연구가 보고되었다.

 

  ∘ 하지만 이 연구는 실제 연료전지 시스템에 적용되지 않은 연구에 불과해 최적 산화 조건을 밝히기 위한 실질적인 실험 연구가 필요한 상황이다.

 

□ 연구팀이 전기화학 실험을 통해 전해질 용액의 pH가 백금(산화 촉매)의 활성에 미치는 영향을 연구한 결과, pH가 약(弱) 알칼리(8.0)일 때 개미산 산화 반응이 가장 활발하게 일어나는 것으로 확인됐다.

 

  ∘ 연구팀은 pH가 약 알칼리(8.0)일 때 기존 개미산 산화 조건 실험과 비교해 71% 향상된 전력을 얻었으며, 이러한 현상이 pH가 약 알칼리일 때 포름산 산화에 필요한 활성화 에너지 값이 가장 낮고 가장 빠른 전자 전달 속도를 갖기 때문임을 규명했다.

 

 

           

 

 

□ 이재영 교수는 “이번 연구 결과는 개미산 연료전지를 휴대용 파워뱅크의 에너지원으로 활용할 수 있는 성능 극대화 조건을 제시한 것”이라며 “최대 출력을 얻을 수 있는 고활성 촉매 개발과 결합해 고성능 개미산 연료전지를 개발한다면 안정적 전력 공급을 위한 분산형 발전의 에너지원으로 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

□ 이재영 교수(교신저자)가 주도하고 전명훈 박사과정생(공동 제1저자)이 수행한 이번 연구는 교육부 산하 한국연구재단(NRF)이 추진하는 일반연구자지원사업 지원으로 수행되었고, 촉매 분야의 세계적인 학술지인 ACS Catalysis 10월 13일자 온라인 판에 게재됐다.

 

*논문명: Influence of solution pH on Pt anode catalyst in direct formic acid fuel cells (Volume 5, pages 6848-6851, October 2015 / DOI: 10.1021/acscatal.5b01981)      <끝>

 

 

 

대외협력팀