일체형 재생 연료전지는 수소를 생산하는 수전해 장치와 전력을 생산하는 연료전지 장치를 결합해 만든다. 수소에너지를 기반으로 하는 에너지 변환·저장 장치의 일종이다.
이를 신재생에너지와 결합하면 신재생에너지의 잉여전력으로 수전해 모드를 구동, 수소를 생산 및 저장할 수 있다. 반대로 전력 수요가 높아질 경우 연료전지 모드를 구동해 전기를 생산할 수 있다.
기존에는 양이온 교환 막 전해질 일체형 재생 연료전지만을 생산했다. 이런 장치는 귀금속을 사용해야 하기 때문에 음이온 교환 막 일체형 재생 연료전지 개발 수요가 늘고 있다.
음이온 교환 막 일체형 재생 연료전지는 음이온 교환 막을 전해질로 사용한다. 알칼리 환경에서 구동할 수 있기 때문에 상대적으로 저렴한 비귀금속 촉매와 소재를 쓸 수 있다. 하지만 산소 전극 개발은 아직 초기 단계에 머물러 효율성과 안정성은 낮은 편이다.
박 교수팀은 일정한 간격의 탄소나노튜브 시트를 이용해 다공성 산소 전극을 설계했다. 탄소나노튜브 시트의 적층 방향을 다르게 적용한 결과 사각형 모양의 매크로 사이즈 기공을 갖는 탄소나노튜브 기판 제조 과정을 수립할 수 있었다.
이 기판에 촉매를 로딩해 산소 발생과 산소 환원 반응이 동시에 일어나는 산소 전극을 개발했다. 현재 보고된 연구 중 가장 높은 효율을 달성했으며, 250mA/cm-2라는 높은 전류 밀도에서도 높은 왕복 효율성(Round-trip Efficiency)을 보였다.
아울러 연구팀은 사이클 테스트를 통해 연료전지와 수전해 모드에서의 내구성도 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 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF=15.1)에 게재됐다.
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