카이스트가 고효율 전력 변환과 그린수소 생산이 가능한 프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)를 개발했다. 탄소중립 달성을 위한 수소에너지 생산과 활용의 중요성이 커져가는 상황에 발을 맞춘 행보다.
카이스트는 14일 기계공학과 이강택 교수, 신소재공학과 정우철 교수, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사, 전남대학교 송선주 교수 공동 연구팀이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 산화물 전극 결정구조 제어를 통해 양성자 확산경로를 2차원에서 3차원으로 확장하는 데 성공했다고 밝혔다. 이를 통해 전극의 촉매활성을 크게 향상시킬 수 있다.
비대칭 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물계 전극은 구조적인 한계로 양성자의 격자 내 이동이 제한돼 촉매 활성이 낮아지고 연료전지 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 이종 금속원소 후보군을 선정하고 도핑해 격자 내에서 양성자가 이동하기 어려운 비대칭 구조를 성공적으로 대칭 구조화해 양성자 수송 특성을 극대화했다. 고성능 전극 설계에 대한 단초를 마련한 것이다.
또한 연구팀은 계산화학을 통해 전극의 결정구조가 양성자 수송 특성에 미치는 영향에 대한 상관관계를 규명했다.
연구팀이 개발한 전극 소재는 프로토닉 세라믹 전기화학전지에 적용돼 현재까지 보고된 소자 중 가장 뛰어난 전력 변환 성능(650℃에서 3.15 W/㎠)을 보이며 그린수소 생산에서도 높은 성능(650℃에서 시간당 약 770 ml/㎠)을 자랑했다.
500시간의 장시간 구동 후 가역 구동(전력 및 그린수소를 교대로 생산)에서도 안정적인 성능을 보여 제시한 전극 설계 방법의 우수성이 입증됐다는 게 카이스트의 설명이다.
이강택 카이스트 교수는 “이번 연구에서 제안한 전극 설계 기법이 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 고성능 전력과 그린수소 생산에 대한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대된다"라며 "이 기술이 글로벌 탄소중립 달성을 위한 수소 생산과 친환경 에너지 기술 상용화에 촉매제가 될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 에너지·재료 분야의 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈, Advanced Energy Materials (IF:27.8)’에 지난 4월 12일 후면표지(Back cover) 논문으로 게재됐다.