[과학]KAIST, 세라믹 연료전지 '만능 전극' 소재 개발…촉매 활성도 100배 이상 ↑

우리 연구진이 세라믹 연료전지 종류에 모두 적용 가능하면서 성능도 향상시킨 전극 소재를 개발했다. 촉매 활성도를 기존 대비 100배 이상 높였고, 700시간 구동에도 끄떡없는 내구성을 구현했다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 정우철 신소재공학과 교수, 이강택 기계공학과 교수와 김준혁 홍익대 교수 공동 연구팀이 산소 이온, 프로톤 전도성 고체산화물 연료전지에 모두 적용 가능한 전극 소재를 개발했다고 9일 밝혔다.

세라믹 연료전지는 이름 그대로 전해질로 세라믹 소재를 이용하는 연료전지다. 전해질로 이동하는 이온 종류에 따라 산소 이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 2가지로 나뉜다.

이들은 또 전력과 수소 간 변환이 가능해 총 네 가지 소자로 구분될 수 있다. 해당 소자들은 수소전기차, 수소 충전소, 발전 시스템 등에 활용할 수 있다. 탄소중립 사회 구현의 차세대 핵심 기술로 떠오른다.

다만 이들은 구동 온도가 낮아짐에 따라 소자 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 대부분이 촉매 활성도가 떨어지는데다, 특정 소자에만 연구가 집중되고 있다.

연구팀은 그동안 주목받지 못했던 페로브스카이트 산화물 소재에 '높은 원자가 이온(Ta5+)'을 도핑해 불안정한 결정구조를 안정화하는 데 성공했다.

개발 전극 소재는 SOFC와 PCFC의 전력 생산 및 수소 생산 총 4가지 소자에 모두 적용됐다.

새로 개발한 기술을 적용하면 현재까지 보고된 소자 중 가장 우수한 효율을 낼 수 있다. 촉매 활성도는 기존 대비 100배 이상 향상됨을 확인했다.

내구성도 높다. 기존에는 100시간 운전에도 열화됐던데 반해 700시간 구동에도 안정적으로 구동했다.

김동연, 안세종 KAIST 박사과정, 김준혁 홍익대 교수가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구의 결과는 재료·화학분야 세계적 권위지인 영국 왕립학회 '에너지 & 인바이런멘탈 사이언스' 7월 12일자 온라인판에 게재됐다.

정우철 교수는 “완전히 새로운 소재를 개발해야 한다는 틀을 깨고, 기존 주목받지 못했던 소재 결정구조를 잘 제어하면 고성능 연료전지를 개발할 수 있다는 아이디어를 제시한 의미있는 결과”라고 말했다.

이강택 교수는 “4가지 소자에 모두 적용될 수 있는 유연성을 가져 추후 연료전지, 물 분해 수소 생산 장치 등 친환경 에너지기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발사업, 나노 및 소재 기술개발사업 지원으로 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com