[고체산화물 연료전지 효율 높일 7가지 방법 공개]

올여름 폭염으로 전기 사용량이 급증하고, 전기자동차를 비롯한 일상 속 전자 기기 사용이 폭발적으로 늘면서 다양한 연료를 사용해 바로 전기로 전환 할 수 있는 연료전지 기술이 주목받고 있다. 그 중 고체산화물 연료전지는 전극과 전해질이 모두 고체로 이루어져 안정성이 높을 뿐만 아니라 수소뿐만 아니라 가스와 같은 다양한 연료를 직접 전기로 만들 수 있으며, 반대로 전기를 가스로도 변환할 수 있다는 장점이 있어 친환경 미래 에너지원으로 크게 주목받고 있다.

고체산화물 연료전지는 일반적인 전기가 발전기와 같은 중간 장치를 통해 생산되는 것과 달리 수소와 산소를 직접 분해해 전기 에너지를 얻는다. 따라서 에너지 효율이 80% 정도인데, 이는 일반적으로 사용하는 발전 동력장치의 에너지 전환율이 40% 정도인 점을 생각하면 매우 높다고 할 수 있다.

하지만 고체로 만들어졌기 때문에 전기를 생성하는 반응을 위해서는 높은 온도를 필요로 하는 데다 고온에서 산소를 환원시키며 전자를 생성시키는 공기극에 변형이 생겨 산화물 표면에 스트론튬(Sr)이란 물질이 새어 나오면서 시간이 지날수록 전지의 성능이 크게 떨어지는 문제가 있어 상용화가 어려웠다.

화학공학과 박사과정 김경학씨, 한정우 교수팀은 KAIST 정우철 교수팀과의 공동연구를 통해 고체산화물 연료전지의 효율을 떨어뜨리는 고질적인 문제점인 스트론튬이 나오지 않는 방법을 제안해 이 분야 연구자들에게 방향성을 제시할 수 있는 것은 물론 연료전지의 장기 안정성을 높일 수 있도록 했다. 이 내용은 셀(Cell)의 자매지인 에너지 분야 권위지 줄(Joule)에 게재되었다.

연구팀은 스트론튬이 새어 나오지 않아 높은 내구성을 가진 연료전지용 공기극 소재 개발을 위해 100여 편의 관련 논문리뷰와 자체 연구 결과를 바탕으로 스트론튬 석출 현상과 표면 편석현상의 근본적인 원인을 규명했다. 또 최적의 연료전지용 공기극 물질을 설계하기 위한 7가지의 방법론을 제시했다.

이 방법론이 실제로 적용되면 연료전지의 내구성을 향상할 수 있고 가격을 낮추고 전지 수명 증가에도 도움을 줄 것으로 기대된다. 또 고체산화물 연료전지를 연구하는 전 세계 연구자들에게 연구의 방향성을 제시할 수 있게 된 점도 의미가 있다. 이 기술이 상용화가 된다면 발전소, 전기자동차, 인공위성 비상전력 등 독립적이고 지속가능한 에너지 공급을 해야 하는 곳에 폭넓게 사용할 수 있으며 소규모로 적재적소에 설치할 수 있어서 송전 비용도 아낄 수 있다. 무엇보다 산소와 연료의 분해로 전기를 만들기 때문에 친환경적이다.

한정우 교수는 “고체산화물 연료전지는 친환경적이고도 고효율의 에너지 변환장치”라며 “열화현상으로 스트론튬이 석출되는 등 안정성 저하의 구체적 해결방안을 제시할 수 있게 돼 이를 통한 고체산화물 연료전지의 상용화가 기대된다.”고 밝혔다.

한편 이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원으로 수행됐다.