세종대학교(총장 배덕효) 나노신소재공학과 박준영 교수 연구팀은 전남대학교 신소재공학부 송선주 교수 연구팀, 미국 메릴랜드 대학 Eric D. Wachsman 교수와 함께 양방향 프로톤 세라믹연료전지(RPCC: Reversible Protonic Ceramic Cell)용 다종이온 전도성 미스핏(misfit) 구조 양극 신소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

화학에너지를 전기에너지로 직접 전환해 전력을 생산하는 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 국내외적으로 대용량 발전사업에 적용되고 있다. 반면 SOFC용 산소이온전도성 지르코니아 기반 전해질은 작동 온도(섭씨 700도 이상)가 높아, 최근 중저온(섭씨 500~700도)에서 작동 가능한 프로톤전도성 전해질로 대체해 제품의 수명을 연장하고, 발전 효율을 높일 수 있는 PCFC (Protonic Ceramic Fuel Cell)에 대한 관심이 증대되고 있다.

중저온에서 작동하는 PCFC는 탄화수소를 직접 연료로 사용할 수 있는 고효율 친환경 발전 기술이다. 또한 고온 수증기를 연료전지 가역반응으로 전기분해 수소를 생산하는 PCEC (Protonic Ceramic Electrolysis Cell)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 개발하여 전극 반응을 극대화 시킴으로써 발전 성능을 향상시켰고, 전극에 대한 반응 메커니즘을 규명했다.

또 개발된 양방향 RPCC 기술은 한 개의 전기화학장치에서 PCFC 발전을 통한 전력 생산과 더불어 유휴 전력을 이용하여 물을 전기분해 함으로서 그린 수소도 생산이 가능하다는 것을 실험적으로 증명했다.

이번 연구는 에너지기술평가원 에너지기술혁신사업 '프로톤전도성 고체전해질기반 저온용 SOFC 요소기술 개발' 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 세계적인 국제 학술지 'Energy and Environmental Science' 온라인에 게재됐다.