입력 2026.06.12 14:45
- 고효율·고출력 동시에 구현하는 이중 수송층 구조 개발
- 국제학술지 Journal of Power Sources 게재… 수소에너지 상용화 기대
한국공학대학교(총장 황수성) 융합기술에너지대학원 박지은 교수 연구팀이 차세대 수소에너지 기술로 주목받는 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지(AEM-URFC)의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 핵심 구조를 개발했다.
이번 연구는 하나의 장치에서 수소를 생산하고 전기를 만드는 기능을 모두 수행하는 차세대 연료전지의 효율과 내구성을 동시에 높였다는 점에서 의미가 크다.
음이온 교환막 일체형 재생 연료전지는 전기가 남을 때는 물을 분해해 수소를 생산하고, 필요할 때는 저장된 수소를 이용해 전기를 생산할 수 있는 에너지 저장·변환 장치다. 별도의 수전해 장치와 연료전지를 각각 설치할 필요가 없어 공간 활용성이 높고 시스템 구축 비용을 줄일 수 있어 차세대 수소에너지 기술로 주목받고 있다.
하지만 기존 기술은 수소를 생산하는 수전해 모드와 전기를 생산하는 연료전지 모드에서 요구되는 소재 특성이 달라 높은 효율과 내구성을 동시에 확보하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 서로 다른 장점을 가진 두 종류의 수송층을 결합한 ‘이중 수송층(Dual-layer porous-transport layer)’ 구조를 개발했다. 연료전지 작동 시 우수한 성능을 보이는 탄소 기반 수송층을 내부에 배치하고, 수전해 과정에 유리한 스테인리스 기반 수송층을 외부에 배치해 두 작동 환경에 모두 최적화된 구조를 구현했다.
실험 결과 개발된 이중 수송층 구조는 기존 티타늄 기반 수송층보다 우수한 성능과 내구성을 나타냈다. 특히 왕복 효율(Round-Trip Efficiency)은 20mA/cm² 조건에서 63.4%를 기록해 현재까지 보고된 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지 가운데 최고 수준의 효율을 달성했다. 또한 1200mA/cm²의 초고전류밀도에서도 안정적으로 구동돼 고출력 운전 가능성을 입증했으며, 반복 구동 시험에서도 우수한 내구성을 확인했다.
박지은 교수는 “이번 연구를 통해 고효율 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지의 상용화 가능성을 확인할 수 있었다”며 “향후 수소 생산과 전력 공급이 동시에 필요한 선박, 우주, 항공 분야 등 다양한 산업에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국공학대 기민석 석사과정생과 서울대학교 이경아 박사가 공동 제1저자로 참여해 수행됐으며, 이대현 한국공학대 졸업생 및 민준호, 조지훈, 서은우, 이희진 한국공학대 생명화학공학과 학부과정생이 연구에 참여하였다. 연구 결과는 「Dual-layer porous-transport layer design for high-performance anion-exchange membrane unitized regenerative fuel cells」라는 제목으로 에너지 분야 국제학술지 「Journal of Power Sources(IF=7.9)」에 2026년 8월 1일자로 게재될 예정이다.