"700시간 구동 성공"…수소 연료전지 상용화 벽 깼다

카이스트, 기존 대비 7배 내구성 가진 전극 소재 개발

국내 연구진이 기존보다 7배 이상 수명을 가진 차세대 수소 연료전지 전극 소재를 개발해 상용화에 청신호를 켰다.

한국과학기술원(KAIST·카이스트)은 정우철 신소재공학과·이강택 기계공학과 교수 연구팀이 김준혁 홍익대 교수와 공동으로 산소 이온 및 프로톤 전도성 고체산화물 연료전지에 모두 적용 가능한 전극 소재 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.

연료전지란 청정에너지원인 수소를 이용해 고효율로 전력을 생산하는 장치다. 다가오는 수소 사회에서 중요한 역할을 하는 기술로 여겨진다. 이중 세라믹 연료전지는 전해질로 이동하는 이온의 종류에 따라 산소 이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 2가지로 나뉜다. 또한, 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.

하지만, 이러한 소자들은 구동 온도가 낮아짐에 따라 가장 느린 전극 반응의 속도가 저하돼 소자의 효율이 크게 떨어지는 고질적인 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있지만, 보고된 대부분의 전극 소재는 촉매 활성도가 떨어질뿐더러 소재의 활용이 특정 소자에 집중돼 있다. 전력 변환 및 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 성공했고, 이를 통해 촉매 활성도가 100배 이상 향상됨을 확인했다.

연구팀이 개발한 전극 소재는 산소이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지의 전력 생산 및 수소 생산 총 4가지 소자에 모두 적용됐다. 또 해당 소자들의 효율이 현재까지 보고된 소자 중 가장 우수하고 기존 100시간 운전에도 열화되던 소재에 비해 장기간(700시간) 구동에도 안정적으로 구동해, 개발된 전극 소재의 우수성이 입증됐다.

이번 연구 결과는 재료·화학 분야 학술지인 영국 왕립학회 발행 ‘에너지 & 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science·IF:32.5)에 지난달 12일 온라인 게재됐다. (논문명: An Universal Oxygen-Electrode for Reversible Solid Oxide Electrochemical Cells at Reduced Temperatures)

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr