KAIST, 전도성 140배 높인 연료전지 신소재 개발 "그린수소 생산 탁월"

▲KAIST 이강택 교수(왼쪽부터), 메릴랜드 대학 에릭 왁스만 교수, KAIST 유형민 박사과정생, 정인철 박사, 장승수 박사과정생

[에너지경제신문 김철훈 기자] 그린수소는 풍력, 태양광 등 재생에너지를 이용해 생산과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없는 궁극적인 청정 에너지원으로 각광을 받고 있다. 이러한 그린수소를 생산·활용하는 연료전지, 수전해 전지, 촉매 분야에 산소 이온성 고체전해질이 널리 사용되고 있으나, 부적합한 화학반응, 열충격 등이 발생하고 많은 유지비용 등 문제를 안고 있다.

KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 미국 메릴랜드 대학 에릭 왁스만 교수 연구팀과 공동연구를 통해 기존 소재 대비 전도성이 140배 높은 산소 이온 전도성 고체전해질 개발에 성공했다고 밝혔다.

이번에 개발된 신소재는 중저온인 600℃ 영역대에서 기존 소재 대비 140배 이상 높은 이온전도도를 나타냈다. 기존 산소 이온 전도체 소재는 중저온 영역대에서 상전이로 인해 이온전도도가 급격하게 감소하는 문제가 있었으나, 이번 연구에서 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 도핑을 통해 중저온 영역대에서도 1000시간 이상 높은 이온전도도를 유지해 상용화 가능성을 크게 높였다.

또한, 공동연구팀은 원자단위 시뮬레이션 계산화학을 통해 도핑된 원소가 산소 이온 전도체 신소재의 성능 및 안정성을 향상하는 메커니즘도 규명했다. 이번에 개발된 신소재는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 적용돼 학계에 보고된 소자 중 가장 높은 수준의 전력 생산 능력을 보였다.

뿐만 아니라, 고체산화물 전해전지(SOEC)에도 적용돼 기존 대비 2배 높은 단위면적당 그린수소 생산 능력을 보여 실제 소자에의 적용 가능성을 증명했다.

이강택 교수는 "이번 연구에서 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 중저온 영역대에서도 안정적으로 높은 전도도를 유지할 수 있어 세라믹 소자의 높은 작동온도를 획기적으로 낮추는 데 활용될 것으로 기대된다"며 "탄소중립 실현을 위한 에너지·환경 소자 상용화에 이 기술을 적용할 수 있을 것"이라고 연구 의미를 소개했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업과 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

KAIST 기계공학과 유형민 박사과정, 정인철 박사, 장승수 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며 한국에너지기술연구원 이찬우 박사 연구팀이 공동으로 참여한 이번 연구는 세계적 권위의 국제 학술지인 ‘어드벤스드 머티리얼스’ 10월 17일자 온라인판에 게재됐다.

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