화학에너지를 전기에너지로 직접 전환해 전력을 생산하는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 국내외적으로 대용량 발전사업에 적용되고 있다. 그러나 SOFC용 산소이온전도성 지르코니아 기반 전해질은 작동 온도가 700℃ 이상으로 높다.
이 때문에 최근 중저온(500~700℃)에서 작동 가능한 프로톤전도성 전해질로 대체해 제품의 수명을 연장하고, 발전 효율을 높일 수 있는 프로톤 세라믹연료전지(PCFC)에 대한 관심이 증대되고 있다.
중저온에서 작동하는 PCFC는 탄화수소를 직접 연료로 사용할 수 있는 고효율 친환경 발전 기술이다. 또한 고온 수증기를 연료전지 가역반응으로 전기분해해 수소를 생산하는 프로톤 세라믹 수전해전지(PCEC)도 차세대 고효율 그린 수소 생산 기술로 큰 관심을 받고 있다.
PCFC와 PCEC는 프로톤과 함께 산소환원 및 발생반응 속도가 빠르고, 전극전위에서 안정적인 공기극 소재 기술이 성능에 가장 큰 영향을 미친다.
공동연구진은 이번 연구에서 산소이온과 프로톤 등 양이온과 음이온이 동시에 전달 가능한 높은 전자전도체 신조성 전극을 개발해 전극 반응을 극대화시킴으로써 발전 성능을 향상시켰고, 전극에 대한 반응 메커니즘을 규명했다.
또한 개발된 RPCC 기술은 한 개의 전기화학장치에서 PCFC 발전을 통한 전력 생산과 더불어, 유휴 전력을 이용해 물을 전기분해함으로써 그린 수소도 생산이 가능하다는 것을 실험적으로 증명했다.
이번 연구는 에너지기술평가원 에너지기술혁신사업 '프로톤전도성 고체전해질 기반 저온용 SOFC 요소기술 개발 지원으로 수행됐으며, 국제 학술지 'Energy and Environmental Science' 온라인에 게재됐다.
KPI뉴스 / 권라영 기자 ryk@kpinews.kr
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