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차세대 에너지 시장 선도할 고체 산화물 연료전지 성능 향상 기술
2019년 05월 07일 (화) 15:31:03 최선영 기자 csy@newsmaker.or.kr

석탄과 석유를 사용하면서 인간의 삶은 편리해졌지만 지구는 병들기 시작했다. 고도화된 산업화는 자연환경을 급속도로 오염시켰고, 이에 화석 연료를 대체할 만한 고효율, 친환경 대체 에너지에 대한 관심이 증대됐다. 이에 미국, 일본, 유럽 등의 선진국은 차세대 에너지의 대안인 연료전지 기술 및 산업을 선도하고 있다. 후발주자라 할 수 있는 우리나라도 고체 산화물 연료전지 제어 기술로 시장을 선점할 가능성을 높인 연구자가 있다. 성균관대학교 기계공학부 이원영 교수의 '복합구조 계면 기능층 개발을 통한 고체 산화물 연료전지 성능 향상' 연구가 그 토대를 형성 중이다.

최선영 기자 csy@

차세대 대체 에너지의 상용화에서 핵심 키워드를 꼽아보자. 소형화, 기존 발전시스템과의 열병합 발전 가능성, 높은 효율과 출력, 단가 경쟁. 이 산을 넘어야만 화석 연료가 사라지고 친환경 에너지가 인간의 삶과 지구를 지킨다. 성균관대학교 이원영 교수는 상용화 가능성이 높은 수소 에너지 발전시스템의 개선 방향을 제시했다.

▲ 이원영 교수

전극 성능 향상된 고체 산화물 연료전지 개발
성균관대학교 기계공학부 이원영 교수의 연구는 고체 산화물 연료전지의 상업화에 초점을 맞췄다. 복합구조 기반의 계면 기능층을 개발해 전극 성능을 향상시켜 650°C 이하 중저온에서도 작동돼 단가를 낮추는 것이 최종 목표다. 이번 연구는 지난 2016년에 시작돼 올해 5월에 종료되지만 그는 발전된 주제의 연료전지 개발 사업 연구를 수행하며 연구 결과를 보강할 계획이다.
“고체 산화물 연료전지의 작동 온도를 800-1,000°C에서 700°C 이하로 낮춰 출력 대비 가격 단가를 낮춰야 합니다. 특히 고체 산화물 연료전지의 에너지가 손실되는 주요 원인은 전극입니다. 즉 스택(연료전지 기본 구성 단위) 중 전극의 생산단가에서 경쟁력을 갖춰야 원가를 절감할 수 있습니다.”
기존의 연구가 고체 산화물 연료전지에 현재 쓰이는 전극 소재와 구조의 개선, 새로운 소재 및 구조의 개발에 힘썼다면, 이 교수는 시선을 돌려 실제 반응이 발생하는 삼상경계면이 분포하는 장소인 전해질/전극 계면 기능층을 새롭게 개발하는 것에 초점을 맞췄다. 즉 전극의 개념을 전해질/전극 계면으로 확장해 소재와 구조를 전략적으로 설계하는 것이다. 기존보다 복합적인 형태인 계면 기능층을 개발한다면 전해질/전극 계면에 증착해 650°C 이하에서도 전극 성능이 획기적으로 향상된 고체 산화물 연료전지를 생산할 수 있다. 계면기능층을 통해 전극 성능을 올리는 학문 연구가 활발히 이뤄진다면 연료전지뿐 아니라 배터리, 커패시터 등 다른 시스템까지 확대 적용할 수 있다. 이 교수는 에너지 자원이 전무한 우리나라의 에너지 자립화를 위한 방안으로 수소 연료전지의 성공 가능성이 가장 높다고 강조했다. 현재 미국, 일본, 유럽 등 선진국과 중국까지 수소연료전지 정복에 뛰어들어 치열한 접전이 예상되는 가운데, 우리나라에서도 연구진들이 관련 기술 확보에 최선을 다하고 있다. 이 교수 역시 현재 진행하고 있는 작은 크기의 단전지 수준에서 성능 및 내구성을 향상시키는 기술을 확보한 후 스택, 시스템 수준으로 확대해 실제로 연료전지 기반의 제품들을 개발하고 설치·운용에 필요한 핵심기술들을 연구하는 것을 목표로 하고 있다.

미래 에너지 기술 향상 위한 핵심원천기술 확보할 것
이원영 교수가 대학원생 시절 공부할 때만 해도 저온 고체 산화물 연료전지 개발의 초창기였다. 그는 Stanford University의 Fritz B. Prinz 교수의 지도로 차근차근 실력을 키웠다. 그는 박사후연구원 시절 고체 산화물 연료전지 전극 표면의 내구성을 향상시키는 연구를 수행했고, 성균관대학교 기계공학부 교수로 부임 후 더욱 주도적으로 연구에 매진 중이다. 이 교수는 전해질, 연료극 등의 구조개선을 통해 고체 산화물 연료전지의 성능을 향상시키는 연구, 전극 표면의 열화현상 메커니즘 규명, 진단법 개발, 최종적으로 열화현상 억제를 통하여 내구성을 향상시키는 방법을 개발하고 있다. 그는 고체 산화물 연료전지 상용화를 위한 수많은 난제를 해결하고 있어 미래 에너지 시장에서 대한민국의 핵심원천기술을 확보할 것으로 기대된다.

이 교수는 자신이 걸어온 길을 돌이켜보며 학생들이 순수한 열정을 지킬 수 있도록 가르치고 있다. 학생들이 능동적으로 문제를 스스로 정의해 해결방법을 찾고 체계적으로 실험한 결과로 결론에 도출할 수 있도록 수업을 진행하고 있다. 이는 연구자들이 해결책을 찾는 과정에서 느끼는 기쁨이 대한민국 기술력 향상으로 이어진다고 믿는 그의 연구철학이자 교육철학이다. 앞장선 그를 따르는 후학들이 국가 경쟁력과 안보에 밀접히 연관된 연구에 몰입할 수 있도록 사회적 차원에서 보다 많은 체계적 지원이 이어져야 할 것이다. NM

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