건국대 융합신소재공학과 김화중 교수(교신저자)와 고영돈(주저자, 석사 2학기) 연구팀은 수소 연료 전지 분야의 핵심 난제인 ‘물 관리’ 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 ‘이중 촉매 층’과 ‘막전극접학체’를 개발했다고 22일 밝혔다.

한국연구재단의 지원으로 진행한 이번 연구는 전기 화학 분야의 최고 학술지인 ‘저널 오브 파워소스 11월 호에 게재됐다.

수소 연료전지는 부산물로 물만 생성되는 에너지 전환 효율이 매우 높은 친환경 에너지원이다. 하지만 수소 연료의 가습과 음극에서 생성되는 물이 넘치는 등의 문제가 발생해 효율적으로 물을 관리하는 것이 필수적이었다.

연구팀은 이러한 ‘물 관리’ 문제를 해결하기 위해 산소 환원 반응을 위한 Pt/C 촉매(신촉매와 백금 촉매)와 내부가 텅빈 친수성의 지르코니아 산화물 구형의 나노입자(HZrO2)에 백금 나노 입자를 담지한 Pt-HZrO2로 구성된 ‘이중 촉매 층’(Double Catalyst Electrode)을 개발했다. 또 전해질 막으로 구성된 ‘막전극 접합체’를 제작해 무가습 작동 수소연료 전지에 적용했다.
연구팀이 개발한 이중 촉매 층은 나피온 전해질 막을 통해 넘어오는 수소와 산소를 이용해 물을 자체적으로 생성하고 음극(cathode)에서 생성되는 물을 흡착, 저장함으로서 물이 넘치는 문제를 방지한다.

또 전해질 막에 물을 자체적으로 공급해 무 가습하에서 전기를 발생시킨다. 이러한 신개념 이중 촉매는 스위스 로잔 연방공대(EPFL)의 신재생 에너지 연구소의 Züttel 교수와 양희나 박사 팀의 분석 지원을 받아 진행됐으며 현재 특허 출원 중에 있다.

김 교수는 “이번 연구는 물 관리에 있어 새로운 물질과 전략적 개념을 도입한 우수한 연구 결과로 평가받았다”며 “향후 수소 연료전지 장치의 간소화 및 단가 절감 등 범용화에 획기적인 기여를 할 것으로 기대된다”고 말했다.