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기계공학부 이원영 교수 연구팀, 세계 최고 성능의 양성자 전도성 연료전지 개발
기계공학부 이원영 교수 연구팀, 세계 최고 성능의 양성자 전도성 연료전지 개발
  • 이지원
  • 승인 2021.10.21 09:30
  • 댓글 0
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에너지분야 국제학술지 『Energy & Environmental Science』 10월 16일 게재
온실가스 감축과 탄소중립을 실현하기 위한 핵심동력 될 것으로 기대

성균관대(총장 신동렬) 기계공학부 이원영 교수 연구팀(제1저자 최민기 박사후연구원)이 양성자 전도성 전해질의 기초 물성치를 극대화할 수 있는 제조 방법을 개발해 세계 최고 성능의 양성자 전도성 연료전지를 개발했다.

양성자 전도성 연료전지는 전해질의 높은 이온 전도도와 낮은 활성화에너지 때문에 고효율 전력생산이 가능한 차세대 에너지 시스템으로 크게 주목받고 있지만, 실제 제작된 양성자 전도성 연료전지의 성능은 이론적인 예측값에 크게 못 미치고 있어 실질적인 적용과 활용이 어려운 실정이다.

이에 연구팀은 양성자 전도성 연료전지의 성능이 낮은 이유에 대해 연구했고, 제조 공정 중에 전해질의 주요 성분이 휘발되면서 소재의 화학적 안정성이 저하되고 결정립의 성장이 지연되기 때문임을 밝혀냈다. 

또한 전해질의 주요 성분의 휘발성을 정밀하게 제어하여 소결성을 크게 향상시켰고 전해질의 내부에서 완벽한 화학적 조성을 가지면서 기존에 보고된 수치보다 약 5배 정도 큰 결정립을 가지는 전해질의 제작에 성공했다.

이렇게 제작된 전해질을 기반으로 600도 이하의 작동온도에서 기존에 보고된 수치들을 크게 상회하는 세계 최고의 성능을 가지는 양성자 전도성 연료전지 시스템을 개발하였다.

휘발성분 제어를 통해 제작된 양성자 전도성 전해질의 화학성분 조성비와 결정립 성장간의 관계 확인. 휘발성분 제어 공정이 적용된 양성자 전도성 전해질의 (a) 표면 광학 이미지, (b) 화학성분 조성비 분석,  (c) 2차 성장 클러스터의 표면 도포 면적, (d) 결정립 크기. (e) 휘발성분이 가장 이상적으로 제어된 곳과 그렇지 않은 곳의 표면 이미지 및 2차 성장 클러스터의 화학성분 확인. (f) 휘발성분 제어를 통하여 조절된 전해질의 화학성분 조성비와 결정립성장 그리고 2차 성장 클러스터 표면 도포 면적과의 상관관계.
휘발성분 제어를 통해 제작된 양성자 전도성 전해질의 화학성분 조성비와 결정립 성장간의 관계 확인. 휘발성분 제어 공정이 적용된 양성자 전도성 전해질의 (a) 표면 광학 이미지, (b) 화학성분 조성비 분석,  (c) 2차 성장 클러스터의 표면 도포 면적, (d) 결정립 크기. (e) 휘발성분이 가장 이상적으로 제어된 곳과 그렇지 않은 곳의 표면 이미지 및 2차 성장 클러스터의 화학성분 확인. (f) 휘발성분 제어를 통하여 조절된 전해질의 화학성분 조성비와 결정립성장 그리고 2차 성장 클러스터 표면 도포 면적과의 상관관계.
휘발성분 제어를 통해 변화하는 양성자 전도성 전해질의 물리/화학적 특성 변화 확인. 휘발성분 제어 공정 온도 조절에 따른 (a) 양성자 전도체의 화학양론비 변화, (b) X-ray diffraction 분석을 통한 상 파괴 확인, (c) 리테발드 분석을 통한 파괴된 상의 질량비 분석, (d) 결정립 크기 변화. 성정한 결정립의 크기에 따른 (e) 양성자 전도성과 (f) 양성자 전도 활성화 에너지 비교.
휘발성분 제어를 통해 변화하는 양성자 전도성 전해질의 물리/화학적 특성 변화 확인. 휘발성분 제어 공정 온도 조절에 따른 (a) 양성자 전도체의 화학양론비 변화, (b) X-ray diffraction 분석을 통한 상 파괴 확인, (c) 리테발드 분석을 통한 파괴된 상의 질량비 분석, (d) 결정립 크기 변화. 성정한 결정립의 크기에 따른 (e) 양성자 전도성과 (f) 양성자 전도 활성화 에너지 비교.
[그림 3] 휘발성분 제어를 통해 이상적 화학양론비의 전해질로 제조된 양성자 전도성 연료전지의 전기화학적 성능 평가. (a) 휘발성분 제어가 되지 않은 화학양론비 불균형을 갖는 전해질, (b) 휘발성분 제어를 통하여 이상적인 화학양론비를 갖는 전해질로 제조된 양성자 전도성 연료전지들의 전류-전압-전력밀도 그래프. 현재까지 보고된 양성자 전도성 연료전지들과의 (c) 최대전력밀도 및 (d) 오믹저항 비교.
[그림 3] 휘발성분 제어를 통해 이상적 화학양론비의 전해질로 제조된 양성자 전도성 연료전지의 전기화학적 성능 평가. (a) 휘발성분 제어가 되지 않은 화학양론비 불균형을 갖는 전해질, (b) 휘발성분 제어를 통하여 이상적인 화학양론비를 갖는 전해질로 제조된 양성자 전도성 연료전지들의 전류-전압-전력밀도 그래프. 현재까지 보고된 양성자 전도성 연료전지들과의 (c) 최대전력밀도 및 (d) 오믹저항 비교.

이원영 교수는 “본 연구에서 개발한 연료전지 기술이 상용화된다면 친환경에너지원인 수소를 활용한 고효율 전력 시스템을 장소의 구애 없이 도심에도 구축할 수 있다”며 “온실가스 감축과 탄소중립을 실현하기 위한 핵심동력이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

본 연구 성과는 한국연구재단의 중견연구지원과제와 세종과학펠로우십지원사업(No. 2019R1A2C4070158, No. 2021R1C1C2006657)의 지원을 받아 수행되었으며, 에너지 분야 국제학술지 『Energy & Environmental Science』(IF: 38.53, JCR<1%)에 10월 16일자 온라인 게재되었다. 


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