새로운 저온 연료전지는 수소 전력을 변화시킬 수 있습니다

주목을 끄는 기술 중 하나는 고체산화물 연료전지(SOFC)입니다. 저장된 화학 에너지를 방출하는 배터리와 달리 이러한 연료 전지는 화학 연료를 직접 전기로 변환하고 연료가 사용 가능한 한 계속해서 전력을 생산합니다. 수소가스를 이용해 전기와 물을 생산하는 수소연료전지는 이미 많은 사람들에게 친숙하다.

높은 작동 온도가 주요 과제인 이유

SOFC는 높은 효율성과 긴 작동 수명으로 알려져 있지만 심각한 한계가 있습니다. 제대로 작동하려면 약 700~800°C의 극도로 높은 온도가 필요합니다. 이러한 온도에 도달하고 유지하려면 강렬한 열을 견딜 수 있는 특수 소재가 필요하므로 시스템 비용이 많이 듭니다.

Nature Materials에 보고된 Kyushu University의 연구원들은 이제 단 300°C에서도 효율적으로 작동하는 SOFC를 개발했다고 말합니다. 팀에 따르면, 이 혁신은 비용을 크게 절감하고 저온 SOFC 생성을 지원하며 실제 사용 속도를 높일 수 있습니다.

연료전지 성능에서 전해질의 주요 역할

모든 SOFC의 핵심에는 연료 전지의 전극 사이에서 하전 입자를 이동시키는 세라믹 층인 전해질이라는 구성 요소가 있습니다. 수소 연료 전지에서 이 층은 수소 이온(양성자라고도 함)을 운반하여 전지가 전기를 생성할 수 있도록 합니다. 그러나 전해질은 일반적으로 효율적인 작동을 위해 이러한 양성자가 빠르게 움직일 수 있도록 극도로 높은 온도가 필요합니다.

이 연구를 주도한 큐슈대학교 학제 간 에너지 연구 플랫폼의 요시히로 야마자키 교수는 “작동 온도를 300°C까지 낮추면 재료 비용이 절감되고 소비자 수준 시스템의 문이 열릴 것입니다.”라고 말했습니다. “그러나 알려진 세라믹은 이러한 ‘따뜻한’ 조건에서 빠르게 충분한 양성자를 운반할 수 없습니다. 그래서 우리는 그 병목 현상을 깨기 시작했습니다.”

결정 격자의 도펀트 문제 해결

전해질은 결정 격자에 배열된 원자로 구성됩니다. 양성자는 이 원자 사이의 틈을 통해 이동합니다. 과학자들은 격자를 통한 양성자 이동 속도를 높이기 위해 다양한 재료와 화학적 도펀트(재료의 특성을 수정하는 물질)를 수년 동안 테스트해 왔습니다.

“그러나 이것은 또한 도전을 동반합니다”라고 Yamazaki는 설명합니다. “화학 도펀트를 추가하면 전해질을 통과하는 이동성 양성자의 수를 늘릴 수 있지만 일반적으로 결정 격자가 막혀 양성자의 속도가 느려집니다. 우리는 많은 양성자를 수용하고 자유롭게 움직일 수 있는 산화물 결정을 찾았습니다. 이것이 우리의 새로운 연구가 마침내 달성한 균형입니다.”

Sc 도핑된 BaSnO3 및 BaTiO3를 사용한 300°C 혁신

연구팀은 두 가지 산화물인 주석산바륨(BaSnO)을 발견했습니다.₃) 및 티탄산바륨(BaTiO₃)는 높은 수준의 스칸듐(Sc)으로 도핑되었을 때 300°C에서 0.01 S/cm 이상의 목표 양성자 전도도에 도달했습니다. 이 전도성은 오늘날의 SOFC 전해질이 600~700°C에서 달성하는 것과 유사합니다.

“구조 분석 및 분자 역학 시뮬레이션을 통해 Sc 원자가 주변 산소와 연결되어 ‘ScO2’를 형성한다는 사실이 밝혀졌습니다.₆ 고속도로’는 양성자가 비정상적으로 낮은 이동 장벽을 가지고 이동하는 경로입니다. 이 경로는 넓고 부드럽게 진동하여 일반적으로 고농도로 도핑된 산화물을 괴롭히는 양성자 포획을 방지한다고 Yamazaki는 말했습니다. “격자 역학 데이터는 BaSnO가₃ 그리고 BaTiO₃ 기존 SOFC 소재보다 본질적으로 ‘더 부드러워’ 이전에 가정했던 것보다 훨씬 더 많은 Sc를 흡수할 수 있습니다.”

저렴한 저온 연료전지의 문을 열다

이러한 결과는 더 많은 도펀트를 추가하는 것과 빠른 이온 이동을 유지하는 것 사이의 오랜 균형을 뒤집고 저렴한 중간 온도 SOFC를 향한 유망한 경로를 제공합니다.

“연료전지 외에도 저온 전기분해, 수소 펌프, CO를 변환하는 반응기 등 다른 기술에도 동일한 원리가 적용될 수 있습니다.₂ 가치 있는 화학물질로 전환되어 탈탄소화의 효과가 배가됩니다. 우리의 연구는 오랜 과학적 역설을 실용적인 솔루션으로 전환하여 저렴한 수소 전력을 일상 생활에 더 가까이 가져오는 것입니다.”라고 Yamazaki는 결론지었습니다.