초고성능 '만능 전극' 개발됐다

KAIST 등 국내연구팀 “소재 성능 100배 이상 향상”

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 여러 연료전지에 모두 적용 가능한 초고성능 전극 소재를 개발했다.

연료전지란 청정에너지원인 수소를 이용해 고효율로 전력을 생산하는 장치를 말한다. 다가오는 수소 사회에서 중요한 역할을 하는 기술로 여겨진다. 차세대 연료전지에 모두 적용 가능하고 기존에 비해 700시간 구동에도 끄떡없는 우수한 전극 소재가 나왔다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 신소재공학과 정우철, 기계공학과 이강택 교수와 홍익대 김준혁 교수 공동 연구팀이 산소 이온과 프로톤 전도성 고체산화물 연료전지에 모두 적용 가능한 전극 소재 개발에 성공했다고 9일 발표했다.

국내 연구팀이 연료전지에 모두 적용 가능한 초고성능 전극 소재를 개발해 눈길이 쏠리고 있다. [사진=KAIST]

세라믹 연료전지는 전해질로 이동하는 이온의 종류에 따라 산소 이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 2가지로 나뉜다. 두 형태에 대해 모두 전력과 수소 간의 변환이 가능하므로 총 네 가지 소자로 구분될 수 있다.

해당 소자들은 수소전기차, 수소 충전소, 발전 시스템 등에 활용할 수 있는 탄소중립 사회를 위한 차세대 핵심 기술로 떠오르고 있다.

이러한 소자들은 구동 온도가 낮아짐에 따라 가장 느린 전극 반응의 속도가 떨어져 소자의 효율이 크게 떨어지는 고질적 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있는데 보고된 대부분의 전극 소재는 촉매 활성도가 떨어질뿐더러 소재의 활용이 특정 소자에 집중돼 있어 전력 변환과 수소 생산이 가역적으로 필요한 고체산화물 연료전지에 적용되기에 한계가 있었다.

연구팀은 문제해결을 위해 그동안 주목받지 못했던 페로브스카이트 산화물 소재에 높은 원자가 이온(Ta5+)을 도핑해 매우 불안정한 결정구조를 안정화하는 데 성공했다. 이를 통해 촉매 활성도가 100배 이상 향상됨을 확인했다.

KAIST 김동연, 안세종 박사과정 학생, 홍익대 김준혁 교수가 공동 제 1 저자로 참여한 이번 연구 결과(논문명: An Universal Oxygen-Electrode for Reversible Solid Oxide Electrochemical Cells at Reduced Temperatures)는 재료·화학 분야의 국제학술지 영국 왕립학회 ‘에너지 & 인바이런멘탈 사이언스, Energy & Environmental Science’7월 12일자 온라인판에 실렸다.

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 의미 있는 결과”라고 말했다.

이강택 교수는“하나의 소자에만 응용됐던 기존 소재들과 비교했을 때 총 4가지 소자에 모두 적용될 수 있는 유연성을 가지고 있어 앞으로 연료전지, 물 분해 수소 생산 장치 등 친환경 에너지기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)