수증기 유도 자발적 촉매 형성 전략으로 고성능 양방향 연료전지 구현

- 세계 최초 수증기 유도 촉매 전략 제시… 차세대 연료전지 표지논문 선정 쾌거

▲(윗줄 왼쪽부터) 성균관대 김준혁 교수, 서울대 정우철 교수, KAIST 이강택 교수,

 (아랫줄 왼쪽부터) 서울대 안세종 박사, KAIST 김동연 박사, KIGAM 정인철 박사

우리 대학은 성균에너지과학기술원(SIEST) 및 미래에너지공학과 김준혁 교수 연구팀이 서울대학교 정우철 교수, KAIST 이강택 교수, 한국지질자원연구원(KIGAM) 정인철 박사 연구팀과 공동으로 ‘수증기 유도 촉매 형성 기술’을 이용한 고성능 양방향 연료전지(RePCEC) 개발에 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 에너지 분야의 세계적 학술지 ACS Energy Letters(IF 18.2, JCR 4.1%) 9월 16일자에 게재되었으며, 표지 논문으로도 선정되는 성과를 거뒀다.

▲ 표지 그림

양방향 연료전지는 하나의 장치로 전기를 만들어내는 발전기이자, 수소를 생산하는 장치로 사용할 수 있어 미래 수소경제를 이끌 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 그동안 산소극의 반응 속도가 느려 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 특히 기존 자발적 촉매 형성 기술(Ex-Solution)에는 수소가 주로 사용되어 산소가 많은 환경에서는 촉매를 안정적으로 형성하기 어려워 성능 개선이 쉽지 않았다.

김준혁 교수 연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 수소 대신 수증기를 활용한 새로운 촉매 형성 전략을 제시했다. 기존 방식은 강한 수소 환원 조건이 필요했지만, 이번 연구에서는 수증기가 금속 원자의 이동을 자연스럽게 유도하도록 설계했다. 그 결과, 고온의 산화 환경에서도 스스로 금속 나노입자가 형성되는 ‘자발적 촉매 형성 현상’을 확인했다.

▲ 수증기 유도 자발적 촉매 형성을 통한 고성능 양방향 연료전지 구현 모식도

이 기술을 적용한 전극은 기존 전극에 비해 전력 생산 효율이 약 40% 향상, 수소 생산 능력 또한 크게 개선됐다. 즉, 하나의 연료전지가 수소를 만들 때도, 전기를 생산할 때도 모두 더 효율적으로 작동하게 된 것이다.

김준혁 교수는 “수증기를 활용한 이 새로운 접근은 산소극 반응의 본질적 한계를 극복한 기술”이라며 “보다 낮은 온도에서도 안정적으로 구동되는 차세대 양방향 연료전지 상용화에 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 우리 대학의 융합에너지 연구 역량과 국내 주요 기관의 협력으로 이룬 성과로, 지속 가능한 에너지 전환과 수소경제 실현에 기여할 핵심 원천기술로 평가된다.

본 연구는 한국전력연구원-우수신진연구사업 및 한국연구재단-STEAM 과학난제도전융합연구사업의 지원을 받아 수행되었다.

※ 논문명: Promotion of Reversible Fuel-Power Generation in Protonic Ceramic Electrochemical Cell via Water-Mediated Ex-Solution

※ 학술지: ACS Energy Letters(표지 논문 선정)

※ 논문링크: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c02146