▲ KIST 윤경중 박사

[가스신문=남영태 기자] 국내 연구진이 수소를 연로로 전기 생산은 물론, 물을 전기로 분해해 수소를 생산할 수 있는 연료전지를 개발해 이목이 집중된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 윤경중 박사팀은 전력과 수소 생산이 가능한 고온에서 작동하는 가역 고체산화물전지의 성능과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 나노 촉매 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

가역 고체산화물전지(Reversible Solid Oxide Cell, ROSC;고체산화물 가역 연료전지)는 수소와 같은 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지 반응과 물을 수소와 공기로 분리시키는 전해반응이 합쳐진 고체산화물로 이뤄진 에너지 변환장치다.

현재 다양한 분야에서 나노 소재 기술이 RSOC의 성능향상을 위해 접목되는 연구가 주목받고 있다. 또한 타 신재생에너지원의 출력 변동이 심하고 발전량 및 발전 시점의 예측이 어려운 특성을 고려할 때 RSOC 기술의 중요성이 강조되고 있다.

때문에 최근 RSOC는 전력 생산 및 대용량 에너지 저장 등의 기능을 수행할 수 있어 전력 생산이 큰 시간에는 불규칙한 출력의 에너지를 저장, 전력 수요가 큰 시점에는 안정적인 양질의 전력을 제공할 수 있는 최적의 기술로 꼽히고 있다.

그러나 RSOC는 700℃ 이상으로 높은 온도에서 작동하고 고온의 환경에 나노 소재가 노출될 경우 화학적, 구조적 변형이 발생한다. 이 때문에 고성능 및 안정성 확보가 매우 어려워 이 분야에 나노 기술을 적용하는 것은 한계라는 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 KIST 윤경중 박사팀은 나노 촉매의 향상과 크기, 분포를 정확히 조절할 수 있는 화학용액 침투공정을 개발했다.

▲ 나노촉매 제조과정

연구진에 따르면 온도가 높아지는 과정에서 화학용액으로부터 나노 촉매가 형성되는 메커니즘을 규명하고, 화학적, 구조적 특성을 결정하는 단계들을 제어해 700℃ 이상의 고온에서도 안정적인 나노 촉매가 적합된 고성능 전극을 제조했다.

아울러 연구진은 일반적인 화학용액 침투 공정과 달리 용액의 건조가 일어나기 전 화학적으로 침전을 일으키고 침전물을 전극 표면에 부착시키는 기술을 개발해, 건조되는 과정에서 발생되는 불확실성을 제거, 나노 촉매의 분포와 크기를 정확히 제어했다고 설명했다.

특히 윤경중 박사에 따르면 최적의 나노 전극 구조를 구현한 결과, 기존 전극이 적용된 연료전지에 비해 전력생산은 1.5배, 수소 생산량은 2배 이상 향상됐다. 또 장시간 동안 나노 소재의 변형으로 인한 성능 감소가 전혀 발생하지 않는 안정적인 특성을 나타내는 것을 규명했다고 밝혔다.

이에 연구진은 향후 에너지 저장과 전력 생산이 가능한 ROSC를 신재생에너지원과 결합한 하이브리드 시스템을 구축해 온실가스 감축과 수소 경제 시대 구현에 기여할 것으로 전망했다.

KIST 윤경중 박사는 "이번 나노 촉매 기술 개발과 구현된 고성능 전극으로 다양한 나노 기술이 고온에서 안정적으로 사용될 수 있는 플랫폼을 제공할 것이며, ROSC의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 예상된다"면서 "이는 미래 신재생에너지 시스템의 중추적인 역할을 하게 될 것으로 기대된다"고 말했다.

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