탄소중립 실현 앞당긴다 … 성균관대 김준혁 교수팀, 수소에너지 전환 위한 차세대 연료전지용 전극 개발 전략 제시

성균관대학교는 미래에너지공학과 김준혁 교수 연구팀이 고체산화물 연료전지용 전극 개발 전략을 정립했다고 13일 밝혔다.

차세대 고체 산화물 연료전지로 주목받는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 성능을 높이는 고급 양극 설계에 관한 방향성을 제시했다는 평가다.

고체 산화물 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 고효율의 에너지 변환 장치다. 수소뿐만 아니라 천연가스 등 다양한 연료를 활용할 수 있으며, 고온에서 작동하는 특성 덕분에 귀금속 촉매 없이도 우수한 반응성을 확보할 수 있다. 또한 구동 중 이산화탄소를 배출하지 않는다는 점에서 정지형 발전 에너지 시스템에 적합해 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받는다.

기존 고체산화물 연료전지는 산소이온전도체 기반 연료전지(SOFC)에 연구가 집중돼 있었다. 고온 구동으로 인한 소재 열화와 비용 증가 문제는 상용화 과정에 걸림돌로 작용했다.

해당 연구에서 다루는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)는 전도 특성이 우수한 수소이온 전도체를 전해질로 사용한다. 저온에서 더 우수한 전기화학적 성능을 확보하며, 경제적 이점도 예상된다. 게다가 양방향 구동이 가능해 태양광, 풍력 발전으로 전력 잉여 시 해당 전력으로 물을 전기분해해 수소로 저장했다가 전력 수요가 높을 때 저장 수소를 발전해 전력을 생산할 수 있는 지속가능 발전소자로 활용이 가능하다.

하지만 해당 연료전지는 기대에 미치지 못하는 공기극 반응속도로 내재된 에너지 저장·변환 특성을 발휘하지 못하는 실정이다. 따라서 공기극용 신물질 설계법과 공기극 성능 증진에 쓰일 수 있는 전략 제시가 필수적이다.

연구팀은 현재까지 보고된 전극 설계와 기능화 전략을 체계적으로 정리하고, 각 접근법의 장단점을 비교 분석해 고성능 공기극 개발을 위한 방향성을 제시했다. 또한 PCFC 상용화를 위한 핵심 연구 흐름과 향후 주목할 기술적 과제들에 대해서도 통찰을 제공한다.

김 교수는 "이번 연구로 고온에서 작동하는 기존 연료전지의 한계를 극복하고, 비교적 낮은 온도에서도 안정적이고 효율적으로 구동할 수 있는 차세대 연료전지 개발에 실질적인 기여가 있을 것으로 본다"며 "연료전지의 상용화 가능성을 앞당기고, 수소 기반 친환경 에너지 전환 기술의 확산에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 최고 권위 국제학술지 '인포맷(InfoMat)'에 지난달 28일자로 게재됐다. 김 교수가 교신저자, 강희찬 석사과정생, 허가온·임인식 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단과 한국전력공사의 지원을 받았다.