기계공학부 이원영 교수 연구팀(제1저자 최민기 박사후연구원)이 에너지분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지 중의 하나인 Energy & Environmental Science (IF: 38.53, JCR<1%)에 양성자 전도성 전해질의 기초 물성치를 극대화할 수 있는 제조 방법을 개발하고 이를 기반으로 세계 최고 성능을 가지는 양성자 전도성 연료전지를 개발한 연구결과를 게재했다.

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

이원영 교수 연구팀은 양성자 전도성 연료전지의 성능이 낮은 이유가 제조 공정 중에 전해질의 주요 성분이 휘발되면서 소재의 화학적 안정성이 저하되고 결정립의 성장이 지연되기 때문임을 밝혀 냈다. 

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

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

이원영 교수는 “양성자 전도성 연료전지를 제작하는데 있어 가장 큰 난관이었던 전해질의 열적 불안정성을 본 연구에서 개발한 전해질 휘발성 제어를 통하여 극복할 수 있었고, 특히 복잡한 추가 공정없이 세계 최고 수준의 성능에 도달할 수 있음을 실증하였기 때문에 일반적으로 활용되는 상용화 단계의 연료전지 제작에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 

이 연구 성과는 한국 연구재단의 중견연구지원과제와 세종과학펠로우십지원 사업의 지원을 받아 수행되었다. (No. 2019R1A2C4070158, No. 2021R1C1C2006657) 에너지분야 국제학술지 Energy & Environmental Science (IF: 38.53, JCR<1%) 논문으로 10월 16일자 온라인 게재되었다. 

[그림 1] 휘발성분 제어를 통해 제작된 양성자 전도성 전해질의 화학성분 조성비와 결정립 성장간의 관계 확인.

[그림 2] 휘발성분 제어를 통해 변화하는 양성자 전도성 전해질의 물리/화학적 특성 변화 확인.