김건태 UNIST 교수, 고체산화물 연료전지 성능 높이는 소재 개발

국제공동연구팀 성과

김건태 교수.

아주경제 이한선 기자= 고체산화물 연료전지의 성능을 높일수 있는 소재를 국내연구진이 국제공동연구를 통해 개발했다.

한국연구재단은 김건태 울산과학기술대학교(UNIST) 친환경에너지공학부 교수, 메일린 류 미국 조지아공대 교수, 신지영 동의대 교수 연구팀이 고체산화물 연료전지의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 전극소재를 개발했다고 22일 밝혔다.

이번 연구는 고체산화물 연료전지 상용화를 위한 발판이 될 것으로 기대된다.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지로 수소를 연료로 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 만든다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의연구중심대학(WCU) 육성사업 등 지원으로 수행돼 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지 15일자에 게재됐다.

구성물질이 모두 고체여서 구조가 간단하고 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지는 전해질 손실로 인한 충전의 번거로움이나 부식의 우려가 적다.

연료의 연소과정이 없어 유독물질이 배출되지 않는데다 에너지 효율도 50% 이상으로 높아 주목받고 있다.

800~1000도의 고온에서 작동해 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야 하고 고온으로 장시간 사용시 내구성이 저하되는 것은 단점으로 낮은 온도에서 작동하면서 전지의 성능은 저하되지 않는 물질을 개발하는 것이 관건이었다.

연구팀은 기존보다 300℃ 가량 낮은 500~700도에서도 출력밀도와 내구성이 뛰어난 이중층 페로브스카이트 전극을 개발했다.

이중층 페로브스카이트는 이온반경이 큰 희토류 등 원소와 원자반경이 작은 전이금속, 그리고 산소이온으로 된 8면체 물질, 페로브스카이트에서 이온반경이 큰 원자를 일부 치환해 원자크기의 차이를 만들어 층을 만든 물질로 산소이동도와 표면특성이 우수한 것이 특징이다.

개발된 물질은 600도에서도 고온에서의 출력에 못지 않은 2.2W/cm2의 출력을 보였다.

이는 고분자전해질 연료전지 최대 출력의 3배 이상에 해당하는 수준으로 2004년 네이처지에 보고된 것보다 2배 이상 높은 수준이다.

안정성 측정결과 550도에서 150시간 동안 전압이나 전류가 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.

작동온도를 낮추면 공기극에서의 산소 이동이 느려져 출력에 나쁜 영향을 미치게 되지만 연구팀이 개발한 물질의 구조상 만들어지는 기공채널을 통해 산소 이온이 지그재그 유형으로 빠르게 확산할 수 있어 산소 환원반응이 원활해진다는 설명이다.

김 교수는 “성능이 높으면서도 안정적인 연료전지 전극소재 개발의 단서를 제공해 친환경 고체산화물 연료전지 개발에 응용될 경우 국내외 연료전지 상용화에 기여할 수 있을 것” 이라고 밝혔다.