그린수소 에너지 효율화 '세라믹 전기화학전지 개발'

양성자 통로 3차원으로 확장, 촉매활성 향상

친환경 에너지원인 그린수소를 보다 효율적으로 생산할 수 있는 변환기술이 개발됐다.

KAIST는 기계공학과 이강택 교수, 신소재공학과 정우철 교수가 한국에너지기술연구원 이찬우 박사, 전남대 송선주 교수와 공동연구로 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 산화물 전극 결정구조를 제어해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장시킴으로써 전극의 촉매활성을 크게 향상시켰다고 14일 밝혔다.

이종 원소 도핑을 통한 결정구조 제어로 확장된 양성자 확산경로. KAIST

기존 그린수소 생산 촉매재로 각광받는 페로브스카이트 산화물계 전극은 비대칭 구조로 인해 양성자가 격자 내에서 이동이 제한, 촉매 활성이 낮아 연료전지의 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 서로 다른 금속원소 후보군을 선정, 이를 도핑해 격자 내에서 비대칭 구조를 대칭 구조화시켜 양성자 수송력을 높여 고성능 전극 설계의 단초를 마련했다.

또 연구팀은 계산화학으로 전극 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향에 대한 상관관계를 규명했다.

연구팀이 개발한 전극 소재는 프로토닉 세라믹 전기화학전지에 적용, 650℃에서 3.15W/㎠로 현재까지 가장 뛰어난 전력 변환성능을 갖는다. 아울러 생산과정 중 이산화탄소가 배출되지 않는 그린수소 역시 650℃에서 시간당 770㎖/㎠로 우수했다.

특히 500시간 구동 후 전력과 그린수소를 교대로 생산하는 가역구동에서도 안정적인 성능을 보여 연구팀이 제시한 전극 설계방법의 우수성을 입증했다.

연구팀이 설계한 전극 적용 PCEC와 기존 연구와 비교. KAIST

이 교수는 “이번 연구에서 제안한 전극 설계기법이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력 그린수소 생산에 새로운 방향성을 제시할 것”이라며 “이 기술이 글로벌 넷제로 달성을 위한 수소생산 및 친환경 에너지기술 상용화에 촉매제가 되길 기대한다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 KAIST 기계공학과 김동연 박사과정, 정인철 박사, 신소재공학과 안세종 박사과정이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ 4월 12일자 후면표지논문으로 게재됐다.

어드밴스드 에너지 머터리얼즈 4월 12일자 후면표지. KAIST

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com