한국연구재단의 국가중점연구소 지원사업 (신소재성형기술연구소, 연구책임자 : 권훈 교수)의 지원을 통해서 수행되었고, 신소재공학부 신소재성형기술연구소 조용훈 전임연구교수 및 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수 (기초과학연구원 나노입자연구단)연구팀이 공동으로 주도하여 진행된 연구 성과가 네이쳐 자매지 “네이쳐커뮤니케이션 (Nature Communications)”의 온라인판에 (9월 18일) 게재되었다.
 
수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 장치인 연료전지는 효율이 뛰어나고 유해물질 배출이 없어 친환경 차세대 동력원으로 각광받고 있다.

그러나 값비싼 백금촉매의 사용으로 인한 가격경쟁력 저하 문제는 상용화의 큰 걸림돌로 여겨지고 있어 이를 극복하기 위해 같은 양의 백금을 사용하면서 성능은 더 뛰어난 고효율 시스템 연료전지를 개발하려는 연구가 진행되고 있으며 미국, 유럽, 일본 등 선진국들은 핵심기술 선점을 위해 정부지원과 시범사업을 활발히 진행 중이다.

본 연구진은 고분자전해질 연료전지의 효율증가를 위해 연료전지 핵심소재인 막-전극접합체 내부의 백금촉매층 전극구조를 제어하여 나노미터 크기의 규칙적인 기공을 갖는 인버스오팔 형태의 전극을 도입하였다.

그 결과 연료전지의 물질전달 및 물관리 개선으로 인해 단위 면적당 출력 성능이 기존 741 mW/cm2 에서 1137 mW/cm2으로 53% 증가한 것을 확인할 수 있었다. 연료전지 촉매층에 도입된 인버스오팔 구조는 수 나노 크기의 구형 입자가 규칙적인 구조로 쌓여 있는 오팔 구조에 상대되는 개념으로서, 3차원으로 연결된 규칙적인 기공 구조로 인해 표면적이 넓고 확산 경로가 짧으며 화학 반응에 필요한 물질의 전달과 생성물의 배출이 용이한 장점이 있다.

연구를 주도한 조용훈 박사 (공동교신저자) 는 “본 연구에서 사용된 나노전극 제어기술은 연료전지 전극에서 이온의 흐름을 돕는 고분자전해질과 전자가 이동하는 탄소입자를 사용하지 않음으로 연료전지의 핵심부품인 막-전극접합체의 내구성을 개선시킴은 물론 실제 연료전지 스택의 제조 단가를 낮추는데 큰 도움을 줄 수 있다.”라고 말했다. 또한 “ 나노기술의 에너지 분야 적용 잠재력은 아주 크다. 나노기술이 접목된 차세대 친환경에너지 분야에서 순수 국내 연구진만으로 괄목할만한 학술적 성과를 냄으로써 한국이 이 분야를 주도할 수 있는 가능성을 확인할 수 있는 결과이다.”라고 연구 성과를 소개하였다.

본 연구는 조용훈 전임교수 및 성영은 교수의 공동 교신 역할 외에, 본교 신소재공학부의 최희만 교수가 공동저자로, 서울대 박사과정의 김옥희씨가 제1저자로 참여하였다.