국제 공동연구진이 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지*의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 전극소재를 개발해냈다. 향후 고체산화물 연료전지 상용화를 위한 발판이 될 것으로 기대된다.
* 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell) : 산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지. 수소를 연료로 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 만든다.
UNIST 친환경에너지공학부 김건태 교수, 미국 조지아공대 메일린 류(Meilin Liu) 교수, 동의대 신지영 교수 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 교육부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 세계수준의연구중심대학(WCU) 육성사업 등의 지원으로 수행되었고 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports) 8월 13일자에 게재되었다.
(논문명: Highly efficient and robust cathode materials for low-temperature solid oxide fuel cells : PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ)
구성물질이 모두 고체여서 구조가 간단하고 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지는 전해질 손실로 인한 충전의 번거로움이나 부식의 우려가 적다.
또 연료의 연소과정이 없어 유독물질이 배출되지 않는데다 에너지 효율도 50% 이상으로 높아 주목받는다.
하지만 800℃~ 1,000℃의 고온에서 작동하기 때문에 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야 한다. 또 고온으로 장시간 사용시 내구성이 저하되는 것도 단점이었다.
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.
* 이중층 페로브스카이트(double perovskite) : 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 우수하다.
개발된 물질은 600oC에서도 1,000oC 고온에서의 출력에 못지 않은 2.2W/cm2의 출력을 보였다. 이는 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 최대 출력의 3배 이상에 해당하는 수준으로 2004년 네이처지에 보고된 것보다 2배 이상 향상된 수준이다.
또한 안정성 측정결과 550oC에서 150 시간 동안 전압이나 전류가 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.
작동온도를 낮추면 공기극*에서의 산소 이동이 느려져 반응이 원활하지 못해 출력에 나쁜 영향을 미치게 된다.
하지만 연구팀이 개발한 물질의 구조상 만들어지는 기공채널을 통해 산소 이온이 지그재그 유형으로 빠르게 확산할 수 있어 산소 환원반응이 원활해진다는 설명이다.
* 공기극 : 전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극(연료극, 공기극)으로 된 연료전지는 공기 중의 산소가 공기극을 지나고 수소가 연료극을 지날 때 전기화학 반응을 통해 전기와 물, 열을 생성한다.
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.
