"차세대 연료전지에 적용 700시간 작동해도 끄덕없다"…고성능 전극소재 개발

KAIST, 페로브스카이트 산화물 소재 활용해 안정화
내구성, 100시간서 700시간 향상..전천후 활용 가능

KAIST는 차세대 연료전지에 모두 적용할 수 있으면서 기존에 비해 700시간 장시간 구동에도 우수한 성능을 발휘하는 전극 소재를 개발했다. KAIST 제공

정우철 KAIST 교수(왼쪽), 이강택 KAIST 교수(오른쪽)

차세대 연료전지에 모두 사용할 수 있고, 장기간 구동에도 우수한 전극 소재가 나왔다.

KAIST는 정우철 신소재공학과 교수, 이강택 기계공학과 교수, 김준혁 홍익대 교수 연구팀이 공동으로 산소 이온과 프로톤 전도성 고체산화물 연료전지에 모두 적용할 수 있는 전극 소재를 개발했다고 8일 밝혔다.

세라믹 연료전지는 전해질로 이동하는 이온 종류에 따라 산소 이온 전도성 고체산화물 연료전지(SOFC)와 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 등 2가지로 나뉜다. 두 전지 모두 전력과 수소 간 변환이 가능해 총 네 가지 소자로 구분된다. 이들 소자는 수소전기차, 수소충전소, 발전시스템 등에 활용함으로써 탄소중립 실현에 필요한 차세대 핵심 기술이다.

하지만 이런 소자들은 구동 온도가 낮아짐에 따라 가장 느린 전극 반응의 속도가 저하돼 소자 효율이 크게 떨어지는 고질적 문제를 안고 있다. 이를 해결하기 위해 개발된 전극 소재들은 촉매 활성도가 떨어지고, 특정 소자에만 활용할 수 있어 고체산화물 연료전지에 적용하기 쉽지 않다.

연구팀은 페로브스카이트 산화물 소재에 높은 원자가 원자가 이온화해 도핑하는 방식으로 매우 불안정한 결정구조를 안정화하고, 촉매 활성도를 100배 이상 높이는 데 성공했다.

이 전극 소재는 두 종류의 전력생산과 수소생산 등 총 4가지 소자에 모두 적용할 수 있고, 기존 100시간 운전에 열화되던 것을 700시간까지 안정적으로 구동하는 등 내구성이 향상됐다.

정우철 KAIST 교수는 "기존에 주목받지 못한 소재의 결정구조를 제대로 제어하면 고성능 연료전지를 개발할 수 있다는 아이디어를 제시한 의미있는 연구결과"라며 "향후 연료전지, 물 분해 수소 생산장치 등 친환경 에너지기술 상용화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 재료화학 분야 국제 학술지 '에너지&인바이런멘탈 사이언스(지난달 12일자)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr