(왼쪽부터) 한국공학대 융합기술에너지대학원 박지은 교수, 서울대 나금비 박사과정학생, 이경아 박사, 한국공학대 융합기술에너지대학원 기민석 석사과정학생, 생명화학공학과 이대현 학사과정학생

한국공학대학교(총장 황수성, 이하 한국공학대) 융합기술에너지대학원 박지은 교수 연구팀이 차세대 친환경 에너지 장치인 음이온 교환막 일체형 재생 연료전지(AEM-URFC)의 효율을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 새로운 전극 구조를 개발했다.

AEM-URFC는 하나의 장치에서 ‘물 → 수소’(수전해)와 ‘수소 → 전기’(연료전지) 변환을 모두 수행하는 시스템이다.
재생에너지로 만든 전기를 남는 시간에 수소로 저장해 두었다가, 필요할 때 다시 전기로 사용할 수 있어 잉여 전력 활용과 친환경 수소 생산에 적합하다.
하지만 기존 장치는 값비싼 귀금속 촉매를 사용해야 하거나, 효율이 낮아 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전극을 두 개 층(더블레이어)으로 안쪽 층은 연료전지 작동 시 성능을 높이는 촉매층(나노촉매+이오노머 혼합), 바깥 층은 수전해 작동 시 전기 흐름을 원활하게 하는 탄소나노튜브 구조로 설계했다.

이 설계 덕분에 전기를 만드는 과정과 수소를 만드는 과정, 두 가지 작동 모드에서 모두 높은 효율을 낼 수 있었다.

실험 결과, 에너지 전환 효율(round-trip efficiency)이 59.2%로 세계 최고 수준을 기록했으며, 높은 전류밀도 조건(750 mA cm⁻²)에서도 효율을 보이며 해당 전류밀도에서의 구동 가능성을 확인했다.

박지은 교수는 “이번 성과로 친환경 수소에너지를 보다 효율적이고 경제적으로 사용할 수 있는 길이 열렸다”며, “향후 수소차, 재생에너지 발전소, 분산형 전력망 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 서울대 이경아 박사(제1저자), 나금비 박사과정생(제1저자), 한국공학대 기민석 석사과정생(공저자), 이대현 학사과정생(공저자)이 공동으로 수행했다.

연구결과는 「Realizing Breakthrough Round-Trip Efficiency of the Anion-Exchange Membrane-Unitized Regenerative Fuel Cell Double-Layer Oxygen Electrode with a Carbon Nanotube Skeleton」이라는 제목으로, 화학공학 분야 권위 있는 국제 학술지 ACS Catalysis(IF=13.1)에 2025년 8월 1일자로 게재됐다.