"800시간 사용해도 안정적"...수소 산업 이끌 차세대 연료전지
"800시간 사용해도 안정적"...수소 산업 이끌 차세대 연료전지
  • 정지원 기자
  • 승인 2022.08.03 13:18
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전자레인지 등에 사용되는 마이크로파 사용해 초고속 공정 가능
탄소중립 사회 실현 앞당길 것
(왼쪽부터)이강택 KAIST 기계공학과 교수와 김동연, 배경택 박사과정.(사진=KAIST)
(왼쪽부터)이강택 KAIST 기계공학과 교수와 김동연, 배경택 박사과정.(사진=KAIST)

(내외방송=정지원 과학전문 기자) 800시간을 연속 사용해도 안정성이 보장되는 연료전지가 개발돼 수소전기차 등 친환경 발전시스템의 상용화가 눈앞으로 다가올 전망이다.

KAIST는 3일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "이강택 기계공학과 교수 연구팀이 마이크로파(라디오파보다 짧고, 적외선보다 긴 전자기파)를 이용한 초고속 소결(가열 등을 했을 때 가루가 녹으면서 서로 밀착) 공정을 통해 '고성능 프로토닉(양자, 에너지의 최소량) 세라믹(고온에서 구워 만든 재료) 연료전지(전기에너지 발생 장치)'를 개발했다"고 밝혔다.

프로토닉 세라믹 연료전지는 세라믹 전해질(물 등에 녹아 이온을 형성해 전기를 통하게 함)의 높은 이온 전도도와 낮은 활성화에너지 특성으로 600℃ 이하 저온에서 고효율로 전력 변환이나 수소 생산이 가능한 에너지 변환 시스템이다.

이는 수소전기차나 수소 충전소, 건물 및 선박용 발전시스템 등에 활용이 가능해 탄소중립 사회를 위한 차세대 핵심 기술로 떠오르고 있다.

이 연료전지는 '난소결성 바륨 기반 산화물 전해질'을 사용하는데, 이를 압축하기 위해서는 1500℃ 이상 고온에서 장시간 소결하는 공정이 필수적이다.

하지만, 공정 중에 화학적인 이유로 불안정해지는 문제가 발생했다.

초고속 제작 공정을 적용한 고성능 프로토닉 세라믹 연료전지의 구성 및 구동 모식도.(사진=KAIST)
초고속 제작 공정을 적용한 고성능 프로토닉 세라믹 연료전지의 구성 및 구동 모식도.(사진=KAIST)

연구팀은 이 문제점을 해결하기 위해 전자레인지나 오븐 등에 쓰이는 마이크로파를 사용해 5분 만에 초고속으로 소결해 전해질을 갖는 프로토닉 세라믹 연료전지를 개발했다.

이와 함께 초고속 온도 상승으로 연료극(수소가 들어오는 곳)이 나노 구조화되면 전기화확적 활성 영역이 크게 확장된다는 것을 증명했다.

또, 3차원 형상 복원 기술을 통해 연료극 입자 미세화로 인한 삼상계면(3가지 상이 평형을 이루는 점) 길이의 증가가 전극 표면 활성 반응을 가속화한다는 미세구조와 전기화학 특성 간의 상관관계도 규명했다.

이번에 개발된 이 연료전지는 현재까지 보고된 동일 소재의 연료전지 중 가장 우수한 성능을 보였으며 800시간 구동해도 매우 높은 안정성이 확인돼 마이크로파 기반 초고속 제조 공정 도입의 이점이 효과적으로 증명됐다.

제작 공정에 따른 프로토닉 세라믹 연료전지의 성능 그래프.(사진=KAIST)
제작 공정에 따른 프로토닉 세라믹 연료전지의 성능 그래프.(사진=KAIST)

이 교수는 "이 연구를 통해 마이크로파를 이용한 초고속 제조 공정이 기존 공정의 난제를 해결하고, 프로토닉 세라믹 연료전지 성능을 극대화할 수 있음이 증명됐다"며 "탄소중립 사회 실현을 앞당길 수 있는 고성능 차세대 에너지 변환기술 발전에 촉매 역할을 할 것"이라고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업과 중견연구자지원사업, 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

김동연, 배경택 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 이 연구는 국제 학술지인 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters`)에 6월 29일 온라인 게재됐다(논문명: High-performance Protonic Ceramic Electrochemical Cells).

 

 



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