드론 장시간 비행 가능, 메탄올 전지 개발

■ 드론 장시간 비행 가능, 메탄올 전지 개발

한국 연구 재단은 강원대 조용훈 교수가 성영은·서울대 최만수 교수와 함께 고성능 직접 메탄올 연료 전지용 막-전극 접합체를 개발했다고 2018년 02월 01일 밝혔다. 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는 메탄올과 산소의 전기 화학 반응으로 전기를 만드는 에너지 변환 시스템이다.

 

액상 연료를 사용하기 때문에 에너지 밀도가 높다. 기존 수소 연료 전지 보다 연료 저장·취급도 쉽다. 그러나, 메탄올 산화 반응이 매우 느리게 발생하는 데다 산화 전극으로 공급한 메탄올이 환원 전극으로 투과하면서 전기 에너지 생산을 저해하는 문제점이 있다. 크로스 오버라고도 부르는 메탄올 투과는 산화 전극으로 유입된 메탄올이 고분자 전해질막을 통해 환원 전극으로 투과하는 현상이다.

 

산소 환원 반응을 방해할 뿐만 아니라 내부 회로를 형성해서 전체 에너지 효율을 떨어뜨린다. 연구팀은 메탄올 산화 반응이 발생하는 막-전극 접합체에 마이크로 나노 규모의 구조를 도입했다. 이를 통해 느린 반응 속도와 메탄올 투과 문제를 동시에 해결했다. 전해질막 표면을 나노 구조 계층으로 패턴화한 다음, 산화 전극 특성을 극대화하고 반응 속도를 높였다.

 

아울러 패턴 골짜기를 따라 균일한 나노-균일을 갖는 금층을 표면에 도입해 메탄올이 투과하지 않도록 했다. 이 막-전극 접합체를 직접 메탄올 연료 전지에 적용했더니, 전력 밀도가 최대 42.3％ 향상했다. 백금 촉매 사용량 대비 전력 밀도가 상용 막-전극 접합체 보다 2배 이상 좋아진다는 것도 실험을 통해 입증했다.

 

조용훈 교수는 "촉매 변화 없이 막-전극 접합체 구조를 변형해 메탄올 연료 전지의 낮은 성능 한계를 극복해낸 것"이라며, "고에너지 밀도의 연료 전지를 드론 전력원으로 사용하면 비행 시간을 획기적으로 늘릴 수 있을 것"이라고 강조했다. 연구는 한국 연구 재단 이공학 개인 기초 연구 지원 사업 지원으로 수행했다. 성과를 담은 논문은 '나노 에너지'(Nano Energy) 2018년 01월호에 실렸다.