연료전지가 주름진 빨대처럼 휘어진다

IBS 나노입자 연구단, 신개념 연료전지 개발
빨대처럼 90도 구부리고 컵 쌓듯 직렬 연결
무게 60% 부피 50% 줄어들어도 성능 여전

IBS 나노입자 연구단이 종이접기 원리를 이용해 만든 고분자 전해질 막 연료전지는 가볍고 90도까지 구부릴 수 있는 3차원 빨대 모양이다. IBS 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 수소연료전지를 작고 가볍게 만들어냈다. 무게와 부피를 절반이상 줄여도 전기 생산능력은 줄어들지 않았다. 또한 앞뒤로 직렬 연결해 높은 전압을 얻어낼 수도 있다.

기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단 성영은 부연구단장팀이 빨대처럼 가볍고 구부릴 수 있는 연료전지를 개발했다고 8일 밝혔다.

연구진은 이 연료전지가 가볍고 다양한 모양이 가능해 스마트폰이나 드론 등 소형 전자기기에도 사용할 수 있다고 설명했다.

연구진은 2개를 직렬연결한 연료전지 무게가 0.22g, 부피는 0.565㎤ 수준으로 매우 작고 가볍게 만들었다. 그런데도 198mW의 전력과 897.7W·kg의 비중 전력 밀도를 낼 수 있다. 또한, 100회 이상 전류-전압 곡선 측정 시 같은 성능을 유지했다.

제1저자인 황원찬 연구원은 "디자인된 종이접기 주름을 따라 접으면 부피를 50% 줄일 수 있고, 또 90도까지 유연하게 구부러진다"며 "접거나 구부려도 성능의 저하가 거의 없는 연료전지"라고 설명했다.

연구진이 만든 연료진지는 막전극접합체를 제외한 부품의 무게를 60% 이하로 대폭 줄였다. 또한, 빨대의 주름진 부분처럼 자유자재로 줄이거나 늘일 수도 있다.

이와함께 종이컵을 쌓듯 간단히 직렬연결도 가능하다. 이렇게 연료전지를 연결하면 높은 전압을 만들어낼 수 있을 뿐만 아니라 원하는 전압 및 전류를 얻을 수 있다.

조용훈 교수는 "이번 연구에서는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)를 개발했지만, 이를 넘어 여러 전기화학 장치에 적용 가능할 것"이라며 "일례로, 수전해 등 수소 생산 장치에도 적용 가능하다"고 설명했다.

IBS 나노입자 연구단이 개발한 고분자 전해질 막 연료전지는 동일 모양의 유닛을 쌓아 직렬로 연결할 수도 있다. IBS 제공

연료전지는 크게 양측의 끝판, 분리막 그리고 막전극접합체로 이뤄졌다. 양쪽 끝판은 막전극접합체에 균일한 압력을 전달한다. 분리판은 수소와 산소를 섞이지 않게 분리하는 동시에 반응물의 통로 역할을 한다. 양쪽 끝판과 분리판은 전체 무게의 약 80%를 차지하며, 지금까지는 경량화에 한계가 있었다.

연구진은 무거운 양쪽 끝판과 분리판의 역할을 축소해 연료전지의 경량화 방법을 고안해냈다. 연구진은 종이컵을 쌓아 올리듯, 원추형 유닛을 이어 주름진 빨대 형태로 연료전지를 설계했다.

이때, 각 부품의 고정 장치와 구조 유지를 위한 양쪽 끝판을 제거해도 형태가 유지된다.

또, 관의 안쪽을 연료인 수소 통로로, 외부를 산소 공급 면으로 활용해 분리판의 역할도 대체할 수 있다.

성영은 부연구단장은 "혁신적인 디자인의 도입을 통해 연료전지 분야가 눈에 띄게 발전할 것으로 기대하고 있다"고 말했다.

이번 연구결과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 에너지 분야 세계적 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 온라인판에 지난 8월 19일 발표됐다.

[e-mail] 김만기 기자