멀티스케일 신재생에너지시스템 연구실
기계공학부 장세근
멀티스케일 신재생에너지시스템 연구실(MREL)은 차세대 청정 에너지 시스템의 혁신을 목표로 다양한 멀티스케일 구조 설계 및 신소재 개발에 집중하고 있습니다. 본 연구실은 나노, 마이크로, 매크로 스케일을 아우르는 계층적 구조 설계와 첨단 패터닝 기술을 통해 연료전지, 수전해 시스템, 그리고 기타 신재생에너지 소자의 성능과 내구성을 극대화하는 연구를 수행하고 있습니다.
특히, 수소 생산 및 수소 기반 연료전지 기술 개발에 중점을 두고 있으며, 프로톤 교환막 수전해(PEMWE), 음이온 교환막 수전해(AEMWE), 그리고 다양한 연료전지(PEMFC, DMFC, DAFC 등)에 적용 가능한 혁신적 소재와 구조를 연구하고 있습니다. 이를 위해 크랙 유도 전극, 다공성 복합막, 하이브리드 리소그래피, 크리프 기반 임프린팅 등 다양한 공정 기술을 활용하여 대면적, 고정밀의 멀티스케일 구조를 구현하고 있습니다.
또한, 연료전지의 상용화와 경제성 확보를 위해 비백금계 촉매, 고내구성 막-전극 접합체, 복합막, 표면 개질 기술 등 첨단 소재 개발에 앞장서고 있습니다. 이러한 연구는 연료전지의 내구성, 효율성, 경제성 향상에 기여하며, 수소전기차, 휴대용 전원, 신재생 에너지 저장 시스템 등 다양한 응용 분야에서 실질적인 기술 혁신을 이끌고 있습니다.
연구실은 국가 에너지 정책과 연계된 대형 국책과제, 산학협력 프로젝트, 그리고 국내외 특허 및 논문 발표를 통해 연구 성과를 산업계와 학계에 적극적으로 확산하고 있습니다. 이를 통해 미래 친환경 에너지 사회 실현과 글로벌 신재생 에너지 시장에서의 경쟁력 확보를 목표로 하고 있습니다.
MREL은 멀티스케일 구조 설계, 수전해 및 연료전지 시스템, 비백금계 촉매 및 고내구성 소재 개발 등 다양한 연구 분야에서 세계적 수준의 연구 역량을 갖추고 있으며, 차세대 에너지 시스템의 패러다임 전환을 선도하는 연구실로 자리매김하고 있습니다.
Catalyst Development
Electrolyte Membrane
Catalysis Development
멀티스케일 구조 설계 및 연료전지 성능 향상
멀티스케일 신재생에너지시스템 연구실은 나노에서 마이크로, 그리고 매크로에 이르는 다양한 스케일의 구조를 설계하고 제작하는 기술을 연구의 핵심으로 삼고 있습니다. 이러한 멀티스케일 아키텍처링은 연료전지의 막, 전극, 그리고 수송층 등 다양한 구성 요소에 적용되어, 기존 대비 뛰어난 이온 전도도와 기계적 안정성을 동시에 확보할 수 있도록 합니다. 특히, 계층적 미세구조와 패턴을 도입함으로써 표면적을 극대화하고, 반응 효율을 높이며, 물과 가스의 이동 경로를 최적화하는 데 중점을 두고 있습니다.
이러한 구조 설계는 다양한 연료전지 시스템, 예를 들어 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 직접 암모니아 연료전지(DAFC) 등에 적용되고 있습니다. 연구실에서는 크랙이 유도된 전극, 다공성 구조, 그리고 복합막 등 혁신적인 소재와 구조를 개발하여 연료전지의 내구성과 성능을 동시에 향상시키고 있습니다. 또한, 플라즈마 식각, 하이브리드 리소그래피, 크리프 기반 임프린팅 등 첨단 공정 기술을 적극적으로 활용하여 대면적, 고정밀의 멀티스케일 구조를 구현하고 있습니다.
이러한 연구는 실제 연료전지 시스템의 상용화와 실용화에 직접적으로 기여하고 있습니다. 예를 들어, 수소전기차, 휴대용 전원, 신재생 에너지 저장 시스템 등 다양한 응용 분야에서 고성능, 고내구성, 저비용의 연료전지 개발을 목표로 하고 있습니다. 연구실의 멀티스케일 구조 설계 기술은 미래 에너지 시스템의 패러다임 전환을 이끌 핵심 원천기술로 자리매김하고 있습니다.
수전해 및 수소 기반 연료전지 기술 개발
본 연구실은 지속가능한 수소 경제 실현을 위한 핵심 기술로서 수전해 및 수소 기반 연료전지 시스템 개발에 집중하고 있습니다. 특히, 프로톤 교환막 수전해(PEMWE)와 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 기술을 중심으로, 고효율 수소 생산과 에너지 변환 효율 극대화를 위한 소재 및 시스템 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 이를 위해 촉매, 전해질막, 전극 구조 등 각 구성 요소의 상호작용과 최적화에 대한 심층적인 연구가 이루어지고 있습니다.
수전해 기술에서는 저비용, 고내구성, 비백금계 촉매 개발과 더불어, 고온·고압 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 하이드로카본 기반 고분자막, 복합막, 그리고 패턴화된 막 구조 설계에 주력하고 있습니다. 또한, 해수 특화형 수전해, 선택적 이온 반응 제어, 고출력 저온 암모니아 연료전지 등 차세대 수소 생산 및 활용 기술 개발에도 앞장서고 있습니다. 이러한 연구는 국가 에너지 정책과 연계된 대형 국책과제 및 산학협력 프로젝트를 통해 실질적인 기술 이전과 산업화로 이어지고 있습니다.
연구실의 수소 기반 연료전지 연구는 수소 생산-저장-활용의 전 주기를 아우르며, 연료전지의 내구성, 효율성, 경제성 향상을 위한 혁신적인 접근법을 제시하고 있습니다. 이를 통해 미래 친환경 에너지 사회 실현에 기여하고, 글로벌 신재생 에너지 시장에서 경쟁력 있는 원천기술을 확보하는 것을 목표로 하고 있습니다.
비백금계 촉매 및 고내구성 연료전지 소재 개발
연료전지의 상용화와 대중화를 위해서는 고가의 백금 촉매 사용을 최소화하고, 내구성이 뛰어난 소재 개발이 필수적입니다. 본 연구실은 비백금계 촉매(Non-platinum catalyst) 개발에 선도적인 역할을 하고 있으며, 철, 코발트, 니켈 등 다양한 금속 기반의 단일 원자 촉매, 나노입자 촉매, 그리고 이들의 복합체를 설계 및 합성하고 있습니다. 이를 통해 산소환원반응(ORR)과 수소산화반응(HOR) 등 연료전지의 핵심 반응에서 높은 활성도와 내구성을 동시에 달성하고자 합니다.
또한, 고내구성 막-전극 접합체(MEA), 복합막, 그리고 표면 개질 기술을 통해 연료전지의 장기 신뢰성과 성능 저하 문제를 해결하고 있습니다. 예를 들어, 다공성 탄소층, 그래핀 옥사이드, 세리아 나노입자, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 등 첨단 소재를 활용하여, 막과 전극의 계면 안정성, 수분 관리, 가스 확산 특성 등을 최적화하고 있습니다. 이러한 소재 및 구조 혁신은 저가습, 고온, 반복 굽힘 등 다양한 극한 환경에서도 연료전지의 성능을 유지할 수 있도록 합니다.
비백금계 촉매 및 고내구성 소재 개발은 연료전지의 경제성 확보와 더불어, 친환경 에너지 시스템의 대중화에 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 연구실은 관련 특허 출원과 기술이전, 그리고 국내외 학술지 및 학회 발표를 통해 해당 분야의 학문적·산업적 발전을 선도하고 있습니다.
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Investigation of the correlation effects of catalyst loading and ionomer content in an anode electrode on the performance of polymer electrode membrane water electrolysis
International Journal of Hydrogen Energy, 2022
2
High‐Performance Pure Water‐Fed Anion Exchange Membrane Water Electrolysis with Patterned Membrane via Mechanical Stress and Hydration‐Mediated Patterning Technique
Advanced Science, 2024
3
Facile Multiscale Patterning by Creep-Assisted Sequential Imprinting and Fuel Cell Application
ACS applied materials & interfaces, 2016
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PEM 수전해 차세대 소재 및 신뢰성 기술 개발(1/2-1단계)
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차세대 고효율 음이온교환막 수전해 원천기술개발(1/2차-1/3단계)
