수소 생산 2배 늘리는 새 소재 나왔다...상용화 큰 진전

이강택 KAIST 기계공학과 교수 연구진

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 기존보다 140배 이상 효율이 높은 산소 이온 전도성 고체전해질을 개발했다. 수소의 생산과 활용 효율을 크게 개선할 수 있을 것으로 기대된다./한국과학기술원

국내 연구진이 친환경 에너지원인 수소의 활용과 생산 효율을 크게 높일 수 있는 기술을 개발했다. 이번에 개발한 신소재를 사용하면 같은 시간에 수소를 2배로 만들 수 있어 수소에너지 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

이강택 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수 연구진은 에릭 왁스만 미국 메릴랜드대 교수와 공동으로 전도성이 140배 높은 산소 이온 전도성 고체전해질 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.

산소 이온 전도성 고체전해질은 친환경에너지원인 수소를 활용하는 데 필수 소재로 꼽힌다. 수소를 생산하는 수전해에 쓰거나 연료전지에서 효율을 높이기 위해 사용된다. 그러나 700도 이상의 고온을 필요로 하는 만큼 화학반응이 달라지거나 물리적 성질의 변화로 인해 효율이 낮아지거나 높은 유지비용이 필요하다는 문제가 있다.

연구진은 비스무트 산화물을 기반으로 새로운 형태의 산소 이온 전도성 고체전해질을 개발했다. 400도의 비교적 낮은 온도에서도 기존과 비슷한 수준의 이온 전도도를 나타내고, 최적 온도인 600도 수준에서는 이온전도도가 140배 이상 높아 수소 에너지 활용에 도움될 전망이다.

이전에도 비스무트 산화물 기반 전해질이 개발된 바 있으나 낮은 온도에서 이온 전도도가 급격하게 감소한다는 문제가 있었다. 연구진은 의도적으로 불순물을 넣는 ‘도핑’을 적용해 이런 문제도 해결했다. 1000시간 이상 사용해도 이온 전도도의 저하가 없어 장기간 사용에도 유리한 것으로 나타났다.

이렇게 만든 전해질을 이용해 만든 연료전지는 전력 생산 효율이 ㎠당 2W 수준으로 현재까지 보고된 소자 중 가장 높은 기록을 달성했다. 수전해에 사용했을 때는 수소 생산량이 분당 15.8㎖로 기존 대비 2배 이상 높은 효율을 보였다.

이 교수는 “중저온 영역대에서도 안정적으로 높은 전도도를 유지할 수 있어 세라믹 소자의 높은 작동 온도를 낮추는 데 기여할 것”이라며 “탄소중립 실현을 위한 에너지·환경 소자 상용화에 본 기술을 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드벤스드 머티리얼즈’에 지난달 17일 소개됐다.

참고자료

Advanced Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202306205

이번 연구에 참여한 연구진. 왼쪽부터 이강택 한국과학기술원(KAIST) 교수, 에릭 왁스만 미 메릴랜드대 교수, 유형민 KAIST 박사과정 연구원, 정인철 KAIST 박사 후 연구원, 장승수 KAIST 박사과정 연구원./한국과학기술원

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