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정우철 교수, 소량 금속으로 연료전지 수명 극대화기술 개발
〈 정우철 교수(오른쪽)와 연구진 〉
우리 대학 신소재공학과 정우철 교수 연구팀이 서울시립대학교 한정우 교수와의 공동 연구를 통해 소량의 금속으로 연료전지의 수명을 향상시킬 수 있는 새로운 전극소재 기술을 개발했다.
구본재 박사과정과 서울시립대 권형욱 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 에너지, 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스(Energy&Environmental Science)’ 2018년도 1호 표지논문에 선정됐다.
연료전지는 친환경이면서 신재생에너지원으로 주목받고 있는 에너지변환기술이다. 특히 세라믹 소재로 구성된 고체산화물 연료전지는 수소 이외에도 바이오매스, LNG, LPG 등 다양한 종류의 연료를 직접 전기에너지로 바꿀 수 있는 장점을 갖는다. 이를 통해 발전소, 전기자동차, 가정용 예비전원 등 분야에 폭넓게 사용될 것으로 전망되고 있다.
고체산화물 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 요소는 산소의 환원 반응이 일어나는 공기극으로 현재 페로브스카이트(ABO3) 구조의 산화물들이 주로 사용된다.
그러나 페로브스카이트 산화물들은 작동 초기 성능이 뛰어나지만 시간이 지날수록 성능이 저하돼 장기간 사용이 어렵다는 한계를 갖는다.
특히 공기극의 작동 조건인 고온 산화 상태에서 산화물 표면에 스트론튬(Sr) 등의 2차상이 축적되는 표면 편석 현상이 발생함으로써 전극의 성능을 낮추는 것으로 알려졌다. 아직까지 이러한 현상의 구체적인 원리와 이를 억제할 수 있는 효과적인 해결책이 나오지 않았다.
정 교수 연구팀은 페로브스카이트 산화물이 변형될 때 면 내 압축 변형이 일어나 스트론튬의 편석을 발생시키는 것을 계산화학적 및 실험적 결과를 통해 확인했다.
연구팀은 페로브스카이트 산화물 내부의 부분적인 변형 분포가 스트론튬 표면 편석의 주요 원인임을 규명했다.
이를 바탕으로 정 교수 연구팀은 크기가 다른 금속을 산화물 내에 장착함으로써 공기극 소재 내부의 격자변형 정도를 제어하고 스트론튬 편석을 효과적으로 억제하는데 성공했다.
정 교수는 “이 기술은 추가적인 공정 없이 소재를 합성하는 과정에서 소량의 금속입자를 넣는 것만으로 구현된다”며 “향후 고내구성 페로브스카이트 산화물 전극을 개발하는 데 유용하게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구의 Energy & Environmental Science 논문지의 커버 이미지
그림2. 전극의 격자변형 정도와 Sr 편석, 전극반응의 상관관계
그림3. 개발한 기술을 적용하여 안정화된 고체산화물 연료전지 공기극의 표면
2017.12.26 조회수 17184 -
이현주 교수, 백금 사용량 10분의1로 줄인 단일원자 촉매 개발
〈 이 현 주 교수, 김 지 환 학생 〉
우리 대학 생명화학공학과 이현주 교수와 서울시립대 한정우 교수 공동 연구팀이 기존 촉매의 백금 사용량을 10분의 1로 줄일 수 있는 백금 단일원자 촉매를 개발했다.
이는 매우 안정적인 고함량의 백금 단일원자 촉매로 연구팀은 ‘직접 포름산 연료전지(Direct formic acid fuel cells)’에 적용하는 데 성공했다.
김지환 학생이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 과학분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 9월 11일자 온라인 판에 게재됐다.
백금 기반의 축매는 활성과 안정성이 높아 다양한 촉매 반응에 적용되지만 가격이 비싸고 희귀하기 때문에 백금의 사용량을 최대한 줄이는 것이 중요하다.
그 중 단일원자 촉매는 백금 입자 크기를 원자 단위로 줄여 모든 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금 촉매의 가격을 획기적으로 낮출 수 있다. 또한 두 개 이상의 원자들이 붙어 있는 앙상블 자리(ensemble site)가 없기 때문에 원하는 생성물을 선택적으로 얻을 수 있다.
이러한 장점에도 불구하고 단일원자 촉매는 낮은 배위수(coordination number)와 높은 표면자유에너지로 인해 쉽게 뭉치고 안정성이 떨어져 실제 장치에 적용이 어렵다는 한계를 갖는다.
연구팀은 백금 단일원자 촉매의 안정성을 높이기 위해 금속 원소인 안티몬이 첨가된 주석 산화물(Antimony-doped tin oxide, ATO) 위에 백금 단일원자가 주석과의 합금 형태로 존재하는 구조를 개발했다.
연구팀은 이러한 구조가 백금 단일원자가 안티몬-주석 합금 구조에서 안티몬의 자리를 대신해 열역학적으로 안정적인 형태로 존재함을 계산을 통해 증명했다.
연구팀이 개발한 촉매는 포름산 산화반응에서 일반적으로 사용되는 촉매인 상용백금촉매(Pt/C)보다 최대 50배 높은 활성을 보였고 장기안정성 또한 월등하게 높았다.
또한 연구팀은 이 촉매를 막과 전극으로 구성된 직접 포름산 연료전지에 적용했다. 단일원자 촉매를 완전지 형태의 연료전지에 적용한 것은 최초의 시도로, 기존 촉매에 비해 10분의 1 정도만의 백금을 사용해도 비슷한 출력을 얻을 수 있다.
이현주 교수는 “귀금속 단일원자 촉매의 가장 큰 문제점인 낮은 함량과 낮은 안정성을 높일 수 있었고 최초로 직접 포름산 연료전지에 적용했다”며 “연료전지에 적용 가능한 고함량 및 고안정성 귀금속 단일원자 촉매의 개발에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 백금 단일 원자 촉매의 개념도
그림2. 관찰한 촉매 및 백금 단일 원자 (흰색 원으로 표시된 밝은 점)
2017.10.24 조회수 16295 -
김희탁 교수, 스펀지 구조 응용해 결착력 강화된 수소연료전지 개발
〈 김 희 탁 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 한국화학연구원(원장 이규호) 홍영택 박사 공동 연구팀이 스펀지의 구조를 이용해 계면 결착력을 획기적으로 강화시킨 수소연료전지를 개발했다.
이번 연구 성과는 재료과학분야 국제학술지인 ‘어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 11월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
수소연료전지는 공기 중 산소와 연료탱크 내 수소로 구동되는 발전장치로서 차세대 친환경 운송수단인 수소연료전지차의 핵심 기술이다.
그러나 수소연료전지는 내연기관에 대비해 가격이 비싸 보급이 어렵고, 고가의 불소계 멤브레인을 이용하기 때문에 가격을 낮추기에도 한계가 있었다.
가격을 낮추기 위해 저가의 탄화수소계 멤브레인이 제안됐지만 탄화수소계 멤브레인은 전극과의 계면 결착력이 낮아 전극과 멤브레인 간 계면이 탈리(분자, 이온 등에서 원자가 떨어지는 현상)돼 수명이 급감하는 문제가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 탄화수소계 멤브레인 표면에는 스펀지 계면 구조를 도입하고, 전극 표면에는 고분자 층을 삽입해 물리적인 맞물림 계면을 구현했다. 이는 스펀지 계면구조와 전극 표면 고분자 층이 서로 3차원적으로 얽혀 고정돼 강한 계면 결착력이 발생하는 원리이다.
연구팀은 전극과 멤브레인 사이의 계면 결착력을 기존에 비해 37배 증가시켰고 탄화수소계 연료전지의 수명은 약 20배 연장하는 데 성공했다.
특히 스펀지 계면구조는 공정성이 높은 스프레이 코팅이나 딥 코팅 법을 이용해 제조가 가능해 산업적으로도 큰 의미를 가질 것으로 기대된다.
연구팀은 한국기초과학지원연구원의 김환욱 박사와 협력해 구조의 시각적 분석을 진행했고 이대길 교수 연구팀과는 수치 해석을 통해 계면결착 원리를 규명했다.
김희탁 교수는 “물리적 맞물림 구조를 통해 연료전지의 계면 탈리 문제를 해결할 수 있음을 증명했다”고 말했다.
홍영택 박사는 “이번 연구가 기존의 우수한 탄화수소계 멤브레인들을 연료전지에 쉽게 적용할 수 있는 계기가 돼 연료전지 가격을 낮추는 데 크게 기여할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국화학연구원 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 스펀지 계면구조의 개념도
그림2. 스펀지 계면구조가 적용된 탄화수소계 연료전지의 막-전극 접합체 장기구동 후 SEM 이미지
그림3. 스펀지 계면구조 제조 공정 및 공정 단계에 따른 탄화수소계 멤브레인
2016.11.21 조회수 16895 -
니콜라이 츠베코프 박사, 성능 30배 증가된 연료전지 소재기술 개발
〈 니콜라이 츠베코프 박사 〉
우리 대학 EEWS 대학원 니콜라이 츠베코프(Nikolai Tsvetkov) 박사가 30배 증가된 성능과 긴 수명을 갖는 연료전지의 전극 소재를 개발했다.
이 기술은 이종원소로 알려진 페로브스카이트 산화물을 물리적으로 표면 처리하는 방법으로 이를 통해 소재의 전기적 특성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
니콜라이 박사는 지난 1월 EEWS 대학원 강정구 교수 연구실에 우수 해외 신진연구자로 참여했다. 이번 연구는 국제 과학 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 6월 13일자 온라인 판에 게재됐다.
페로브스카이트 산화물은 최근 수 년 간 연료전지, 비휘발성 메모리, 이산화탄소의 광 변환 등 다양한 분야에 활용 가능한 소재로 연구됐다.
그러나 고온에서 수분과 공기에 노출되면 산화물 표면이 화학적으로 불안정해져 메모리, 연료 전지 등의 수명과 성능을 저하시키는 주요 원인이 됐다.
이러한 현상이 발생하는 이유는 페로브스카이트 산화물의 원소 중 스트론튬이 표면에서 산화물 절연막을 형성해 전자전달 및 산소교환반응을 방해하기 때문이다.
이를 방지하기 위해 금속 산화물 표면에 수 나노미터 수준으로 코팅하는 방법이 있지만 근본적인 문제 해결에는 한계가 있었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 다양한 이종 원소를 이용해 표면에 존재하는 산소 원자결함을 선택적으로 제거하는 기술을 개발했다. 이를 통해 반응을 방해하는 표면의 절연층 형성을 억제하고 우수한 전기적, 촉매적 특성 및 반응속도를 갖는 소재를 개발했다.
연구팀은 촉매로서의 활성이 없는 것으로 알려진 하프늄을 사용해 기존 소재 대비 연료전지 전극의 성능을 30배 증가시켰고 소재의 안정성도 대폭 향상시켰다.
이 연구 결과는 기존에 알려지지 않은 새로운 현상으로서 그동안 연료전지 성능 향상의 가장 큰 걸림돌이었던 전극 표면에서의 산소환원반응의 원인을 이론적으로 규명했다는 의미를 갖는다. 또한 고체 산화물 연료전지의 안정성에 대한 해답을 제시했다.
니콜라이 박사는 “극소량의 이종원소 표면처리 기술을 이용해 연료전지를 비롯한 다양한 분야의 전기화학촉매가 될 것이다”며 “기존의 기술적 한계를 극복하는 핵심 기술로 널리 활용될 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 미국항공우주국(NASA) ‘화성탐사 2020 프로젝트’의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 페로브스카이트 산화물 박막(좌)에 이종 원소의 도핑으로 표면의 산소 원자결함을 제어한 박막구조
그림2. 도핑된 이종 원소별 산소교환 성능 그래프
2016.07.07 조회수 11584 -
레고블록 계면구조 수소연료전지 개발
우리 대학 생명화학공학과 김희탁 교수와 박정기 교수 공동 연구팀이 레고블록과 같은 맞물림 계면구조를 통해 결착력이 강화된 수소연료전지를 개발했다.
연구 결과는 재료과학분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 20일자 온라인 표지논문으로 게재됐다.
전기자동차인 수소연료전지 자동차는 차세대 친환경 미래 자동차로 각광받고 있다. 하지만 기존 연료전지는 고가의 불소계 멤브레인(고분자 필름 박막)을 이용하기 때문에 가격을 낮추는 데 한계가 있었다.
이를 극복하기 위해 저가의 탄화수소계 멤브레인을 사용했지만, 백금 전극과의 계면 결착이 취약해 상용화에 어려움을 겪었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 멤브레인과 전극 계면이 레고 블록처럼 서로 맞물려진 구조를 개발했다. 탄화수소계 멤브레인 표면에 형성된 마이크론 크기의 돌기가 전극 표면 고분자 층에 삽입된 후, 수분에 의해 팽창하며 계면 결착력이 발생하는 원리이다.
이 맞물림 계면구조의 개발로 탄화수소계 연료전지의 계면 결착력은 8배, 연료전지의 내구성은 4배 이상 향상됐다.
연구팀은 화학연구원 홍영택 박사팀과 협력해 맞물림 계면구조의 소재 설계를 수행했고, KAIST 기계공학과 이대길 교수팀과 수치 해석을 통한 계면 결착력 향상 메커니즘을 규명했다.
김희탁 교수는“맞물림 계면 구조를 도입한 연료전지는 탄화수소 소재가 가져왔던 한계를 극복할 단서를 제시했다”며, “연료전지의 가격을 낮추는 데 큰 역할을 할 수 있을 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자사업과 KAIST 세계수준 연구중심대학(World Class University:WCU) 육성사업 프로그램 및 한국화학연구원 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 어드밴스드 머터리얼스 誌에 게재된 레고블록 계면구조 개념도
그림 2. 마이크론 크기의 돌기가 표면에 형성된 탄화수소계 멤브레인
그림 3. 마이크론 크기의 돌기가 전극 표면 고분자층에 삽입된 계면 구조
2015.05.27 조회수 13253 -
우성일교수 연구팀, 친환경 고체산화물 연료전지 시스템 개발
-바이오디젤 생산과정의 부산물인 글리세롤을 이용한 고체산화물 연료전지 시스템
-10월 14일 앙게반테 케미 자매지, "켐서스켐(ChemSusChem)" 온라인판에 게재
생명화학공학과 우성일(58)교수 연구팀은 바이오디젤(bio-diesel) 생산과정의 부산물인 글리세롤을 연료로 이용한 고체산화물연료전지 구동기술을 개발하는데 최근 성공했다.
우교수팀은 이번 연구를 통해 글리세롤을 연료로 고체산화물연료전지를 조업하여 발전시 생성되는 이산화탄소의 발생량을 석탄 및 석유에 비해 각각 40%, 26% 가까이 줄이는 결과를 얻었다. 석탄 및 석유를 이용하는 화력발전을 통한 전기 1kWh 생산시 발생하는 이산화탄소는 각각 991g, 782g이다. 반면 글리세롤은 585g이다. 또한 기존 수소를 연료로 이용했을 때의 80%에 달하는 효율을 얻을 수 있었다.
이번연구에 사용한 바이오매스로부터 얻은 글리세롤 개질과정의 이산화탄소는 바이오매스를 생산하는데 재사용함으로써 저탄소, 녹색성장에 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
이 연구결과는 지난 14일 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)의 자매지인 "켐서스켐(ChemSusChem)" 온라인판에 게재됐으며 관련기술은 국내특허 출원중이다.
연구팀 관계자는 “이번 연구결과는 고체산화물 연료전지에 바이오매스로부터 바이오디젤을 생산할 때 얻어진 글리세롤 연료를 사용함으로써 기존 화석연료보다 이산화탄소의 배출량을 줄이고 배출된 이산화탄소는 바이오매스 생산에 재사용할 수 있어 지구 온난화 방지에 기여할 수 있다”고 말했다.
고체산화물연료전지는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서 에너지 효율이 ~50%에 달하는 가장 발전된 형태의 연료전지이다. 연료로 쓰이는 수소를 생산하기 위해 탄화수소를 개질하게 되는데 이 과정에서 이산화탄소가 발생하게 된다.
바이오디젤은 브라질, 미국, EU등을 중심으로 고유가에 대응하기 위하여 생산을 확대해오고 있으며, 최근에는 일본, 중국, 인도 등이 후발국으로 참여하여 그 규모가 점차 커지고 있다. 2009년 바이오디젤의 생산량은 78억톤에 달할 것으로 예상되고 있으며 2010년에는 104억톤으로 증가할 것으로 예상된다.
글리세롤은 바이오디젤 1 톤을 생산할 때 0.1 톤 정도 부산물로 생산되는 물질로서 바이오디젤의 공급증가에 따른 잉여의 글리세롤이 생성된다. 고체산화물 연료전지에 잉여의 글리세롤을 연료로 사용하였을 경우 저탄소 녹색 성장에 크게 이바지 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 최근에는 지구온난화 주범인 이산화탄소의 양을 줄이기 위하여 국제적으로 탄소배출권 거래제도에 대한 관심이 집중되고 있는 실정이다.
탄소배출권 거래제도는 전 세계의 온실가스 배출총량을 정하고 이를 국가나 기업별로 할당하는 제도로서 할당량보다 많이 배출하려는 국가나 기업은 할당량보다 적게 온실가스를 배출한 곳으로부터 배출권을 사야한다.
바이오디젤의 경우 1톤을 생산할 때 이산화탄소 2.2 톤의 배출량을 감면받게 되므로 바이오디젤의 부산물인 글리세롤을 이용하여 고체산화물 연료전지를 조업할 경우 탄소배출권을 획득할 수 있어 부가가치를 창출할 수 있다.
이번 연구는 초미세화학공정연구센터(ERC), 에너지, 환경, 물, 자원의 지속 가능성(EEWS) 및 세계수준의 연구중심대학(WCU) 사업의 지원을 받아 생명화학공학과 박사과정 원정연(元正淵)연구원이 주도적으로 진행했다.
켐서스켐(ChemSusChem) Paper Link :
http://www3.interscience.wiley.com/journal/114278546/home
2009.10.27 조회수 21763 -
항공우주공학과 권세진, 심현철교수, 연료전지 무인기개발
- 액상 수소화물에서 수소추출, 연료전지스택에 공급하는 시스템 개발- 액체연료로는 세계최초, 무인기의 임무한계 획기적 연장 가능성 열어
우리 학교 항공우주공학과 권세진(權世震, 48, 사진왼쪽) 교수, 심현철(沈鉉哲, 38, 사진오른쪽) 교수 연구팀이 연료전지로 구동하는 소형 무인기를 개발했으며, 장시간 시험비행에 성공했다.
이번 연구개발 결과는 기존의 소형 무인기 동력원으로 사용되던 2차 전지를 대체할 수 있는 새로운 동력장치인 연료전지를 이용, 무인기의 임무 한계를 획기적으로 확장할 수 있는 가능성을 열었다는 데 큰 의의가 있다. 감시정찰을 목적으로 하는 소형 무인기는 미국 등 기술 선진국에서 실용화 되었으나, 동력원인 배터리의 에너지 밀도가 낮아 제한적인 임무수행만이 가능했다. 權 교수 연구팀이 개발한 무인기의 연료전지 동력장치는 소음이 없고 효율이 높으며, 액상 수소화물로부터 수소를 추출하기 때문에 기존의 배터리에 비해 에너지 밀도를 10배 이상 향상시켰다. 이번에 개발된 연료전지는 무인기 뿐 아니라 로봇의 전원으로도 사용이 기대된다.
▣ 개발배경연료전지는 차세대 동력원으로 세계 각국에서 개발경쟁이 치열하다. 국내에서도 몇몇 전자 및 화학 업체에서 노트북 컴퓨터용 연료전지를 개발하여 시연한 바가 있고, 자동차 회사에서는 엔진을 대체하기 위한 연료전지를 연구 중에 있다. 그러나 연료전지의 우수성이 잘 나타날 수 있으며 연료전지가 아니면 구현 자체가 어려운 장치는 무인기나 로봇 등과 같은 소형 모바일 시스템이다. 미국의 해군연구소와 조지아공대(Georgia Tech)의 연구팀이 연료전지 무인기를 연구해 왔으나, 이들은 고압의 수소가스를 저장하여 사용하므로, 에너지 밀도를 높이는 데에는 실패했다. 또한 연료 재보급을 위한 시설 등 운용상의 문제점도 가지고 있다. KAIST의 權 교수 연구팀은 액상 수소화물에서 수소를 추출하여 연료전지 스택에 공급하는 시스템을 개발했으며, 이를 시험용 무인기에 탑재하여 장시간 안정적으로 시험비행 하는데 성공했다.
▣ 핵심기술의 내용權 교수팀에서 사용한 연료인 수소화붕소나트륨(NaBH4)은 불연성이고 안정한 친환경 물질로써, 취급이 용이하고 수소 함량이 높다. 이 물질로부터 추출된 수소는 순도가 높기 때문에 연료전지 시스템 적용이 수월하다. <그림 1>은 프로펠러를 포함하는 전체 시스템의 구성도이다. 수화물을 가수분해하는 촉매 반응기, 전기를 발생하는 연료전지 스택, 동력을 충전 및 공급하는 동력제어장치, 프로펠러를 구동하는 전기모터로 이루어져 있다. 촉매 반응기에서 가수분해 과정을 통해 발생한 수소는 연료전지 스택에서 전기를 발생한다. 전기에너지는 동력제어장치에 충전되었다가 출력 요구 시 전동모터를 구동한다. <그림 2>는 동력발생 장치를 무인기에 탑재한 모습이다. 이번에 개발된 연료전지 무인기는 무게 2kg(연료전지시스템 750g 포함)으로써 500g의 연료를 싣고 10시간 이상 비행할 수 있다. 이는 배터리 동력원을 갖는 기존 무인기 항속시간의 10배에 달한다.
<그림 1> 동력계통의 구성
<그림 2> 동력 장치가 탑재된 무인기
<그림3> 무인기가 비행하는 광경
2007.10.12 조회수 20996