차세대 연료전지용 고성능 전극 소재 개발

한국과학기술원(KAIST) 연구진

KAIST와 홍익대 공동 연구팀이 만든 차세대 연료전지용 전극 소재의 모식도./KAIST

국내 연구진이 차세대 연료전지에 모두 사용할 수 있고 장시간 사용에도 문제가 없는 전극 소재를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 정우철 교수, 기계공학과 이강택 교수, 홍익대 김준혁 교수 연구진은 9일 산소 이온과 프로톤 전도성 고체산화물 연료전지에 모두 적용할 수 있는 전극 소재 개발에 성공했다고 밝혔다.

세라믹 연료전지는 전해질로 이동하는 이온의 종류에 따라 산소 이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 두 가지로 나뉜다. 두 형태에 대해 모두 전력과 수소 간의 변환이 가능하므로 총 네 가지 소자로 구분될 수 있다. 이런 전극 소재는 수소전기차나 수소 충전소, 발전시스템에 모두 들어가는 핵심 기술이다.

다만 이런 소자는 구동 온도가 낮아짐에 따라 가장 느린 전극 반응의 속도가 저하돼 소자의 효율이 크게 떨어지는 고질적인 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있지만, 아직까지는 뚜렷한 돌파구가 없는 상황이다.

연구팀은 문제 해결을 위해 그동안 주목받지 않았던 페로브스카이트 산화물 소재에 높은 원자가 이온(Ta5+)을 도핑해 매우 불안정한 결정구조를 안정화하는 데 성공했다. 이 방식을 쓰면 촉매 활성도도 100배 이상 향상됐다.

연구팀이 개발한 전극 소재는 세라믹 연료전지의 네 가지 소자에 모두 적용할 수 있었고, 기존에는 100시간 운전에도 열화됐던 것에 비해 700시간까지 구동해도 안정적으로 유지됐다.

정우철 교수는 “문제점을 해결하기 위해서 완전히 새로운 소재를 개발해야 한다는 틀을 깨고 기존에 주목받지 못했던 소재의 결정구조를 잘 제어하면 고성능 연료전지를 개발할 수 있다는 아이디어를 제시한 의미있는 결과”라고 말했다.

이번 연구 결과는 영국 왕립학회 ‘에너지 앤드 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 지난 7월 12일 게재됐다.

참고자료

Energy & Environmental Science, DOI : https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d2ee04108a

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