울산과학기술대학(UNIST) 교수가 포함된 국제 공동연구진이 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 전극소재를 개발해 향후 고체산화물 연료전지 상용화를 위한 발판이 될 것으로 기대된다.
22일 UNIST 친환경에너지공학부 김건태 교수에 따르면 미국 조지아공대 메일린 류(Meilin Liu) 교수, 동의대 신지영 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구 결과가 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports)에 논문명(Highly efficient and robust cathode materials for low-temperature solid oxide fuel cells : PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ)으로 13일자에 게재됐다.
특히 이번 연구는 교육부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 세계수준의연구중심대학(WCU) 육성사업 등의 지원으로 수행됐다.
고체산화물 연료전지는 구성물질이 모두 고체여서 구조가 간단하고 소재가 상대적으로 저렴한 데다 전해질 손실로 인한 충전의 번거로움이나 부식의 우려가 적고 연료의 연소과정이 없어 유독물질이 배출되지 않는데다 에너지 효율도 50% 이상으로 높은 장점이 있다
그러나 800℃~ 1000℃의 고온에서 작동하기 때문에 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야 하는 데다 고온으로 장시간 사용시 내구성이 저하되는 단점 때문에 보다 낮은 온도에서 작동하면서 전지의 성능은 저하되지 않는 물질을 개발하는 것이 관건이었다.
이에 연구팀은 기존보다 300℃ 가량 낮은 500~700oC에서도 출력밀도와 내구성이 뛰어난 이중층 페로브스카이트 전극을 개발했다.
원소와 원자반경이 작은 전이금속인 전극은 산소이온으로 된 8면체 물질로 페로브스카이트에서 이온반경이 큰 원자를 일부 치환해 원자크기의 차이를 만들어 층을 만든 물질로 산소이동도와 표면특성이 우수하다.
특히 연구팀이 개발한 물질의 구조상 만들어지는 기공채널을 통해 산소 이온이 지그재그 유형으로 빠르게 확산할 수 있어 산소 환원반응이 원활해진다는 것이 김 교수의 설명이다.
김 교수는 "성능이 높으면서도 안정적인 연료전지 전극소재 개발의 단서를 제공함으로써 친환경 고체산화물 연료전지 개발에 응용될 경우 국내외 연료전지 상용화에 기여할 수 있을 것" 이라고 밝혔다.
kky060@fnnews.com 김기열 기자
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