수증기 유도 자발적 촉매 형성 전략을 통한 고성능 양방향 연료전지 구현

[성균관대학교 보도자료] 제 목: [연구] 수증기 유도 자발적 촉매 형성 전략을 통한 고성능 양방향 연료전지 구현 - 부 제: 가역적 수소-전력 생산을 위한 원천기술 활용 기대 □ 성균에너지과학기술원(SIEST) 및 미래에너지공학과 김준혁 교수 연구팀은 서울대 정우철 교수, KAIST 이강택 교수 연구팀, KIGAM 정인철 박사와의 공동연구를 통해 양방향 프로톤 전도 세라믹 연료전지(Reversible Protonic Ceramic Electrochemical Cells, RePCEC)용 신개념 전극 개발 전략을 정립하고, 이를 통해 향상된 연료전지 성능을 보고한 연구논문을 ACS Energy Letters (IF: 18.2, JCR 4.1%) 에 게재하였다. 해당 성과는 표지 논문으로 선정되었다. □ 기존연구의 문제점 및 한계성 극복: 기존의 양방향 연료전지는 기대에 미치지 못하는 산소극의 느린 반응 속도로 인해 에너지 저장 및 변환 효율이 제한되어 왔으며, 이는 상용화의 주요 걸림돌로 작용해왔다. 따라서 산소극의 반응성을 근본적으로 향상시킬 수 있는 새로운 전극 개발 전략이 절실히 요구되었다. 기존에 주목받아 온 자발적 촉매 형성 방법인 용출(ex-solution) 전략은 고온에서 안정한 금속 나노입자를 형성할 수 있다는 장점이 있지만, 강한 수소 환원 분위기를 필요로 하여 산소극 환경에는 적용이 어려웠다. 이에 본 논문에서는 결함화학 원리에 기반하여 수소 대신 수증기를 매개로 한 새로운 용출법을 제시하였다. 이를 통해 고온 산화분위기에서도 금속 나노입자가 자발적으로 형성됨을 규명하였으며, 결과적으로 양방향 연료전지의 전력 생산 및 수소 생산 성능을 동시에 향상시키는 데 성공하였다. □ 저자멘트: 이번 연구논문은 수증기를 활용한 새로운 촉매 형성 방법론을 통해 기존 연료전지에서 문제로 지적되어 온 산소극 반응의 낮은 활성을 근본적으로 개선했다는 점에서 큰 의미가 있다. 이를 통해 고온에서만 제한적으로 구동되던 기존 시스템의 제약을 넘어, 보다 낮은 온도에서도 안정적이고 효율적인 양방향 연료전지 구동이 가능함을 입증하였다. □ 사업지원 및 논문게재: 이 연구는 ACS Energy Letters (IF: 18.2, JCR 4.1%) 에 9월 16일에 게재되었다. ※논문명: Promotion of Reversible Fuel-Power Generation in Protonic Ceramic Electrochemical Cell via Water-Mediated Ex-Solution ※저널명: ACS Energy Letters ※저자명: 김준혁 (교신저자), 강희찬, 임인식, 허가온 (공동저자)

이태훈 교수, [Science]지 제1저자 논문 게재 및 미국 학회 신진 연구자상 수상

미래에너지공학과 이태훈 교수가 미국 MIT와의 공동연구로 세계 최고의 학술지 [Science] 지에 제1저자로 “미세다공성 고분자 기반 원유 정제용 분리막”에 대한 연구 논문을 게재하였습니다. 논문 링크: https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adv6886 이러한 연구 성과를 인정 받아, 이태훈 교수님은 2025. 05. 17–21. 미국 테니시주 내슈빌에서 열린 2025 북미 막학회 (North American Membrane Society, NAMS)에서 신진 연구자상을 수상하였습니다. 관련 링크 이태훈 교수님 연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/smartskku/home MIT News: https://news.mit.edu/2025/new-approach-could-fractionate-crude-oil-using-less-energy-0522 성균관대 뉴스: https://www.skku.edu/skku/campus/skk_comm/news.do?mode=view&articleNo=127418 조선비즈: https://n.news.naver.com/mnews/article/366/0001079602

성균관대 연구팀 미래 수소사회 앞당긴다…연료전지 성능 높이는 핵심 전극 전략 제시

[성균관대학교 보도자료] 성균관대 연구팀 미래 수소사회 앞당긴다…연료전지 성능 높이는 핵심 전극 전략 제시 - 지속 가능한 수소 에너지 사회 구현을 위한 기초 연구 가속화 기대 성균관대학교(총장 유지범) 미래에너지공학과 김준혁 교수 연구팀은 고체산화물 연료전지용 전극 개발 전략을 정립하고, 기능화 방향성을 제시했다. 고체 산화물 연료전지는 고온에서 작동하며 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 높은 효율을 가진 에너지 변환 장치이다. 수소뿐만 아니라 천연가스 등 다양한 연료를 활용할 수 있어 연료 다양성이 뛰어나며, 고온 작동 특성 덕분에 귀금속 촉매 없이도 우수한 반응성을 확보할 수 있다. 또한 구동 중 이산화탄소를 배출하지 않는다는 점에서, 정지형 발전 에너지 시스템에 적합해 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 기존 고체산화물 연료전지는 산소이온전도체 기반 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)에 연구가 집중되어 있었으나, 고온 구동으로 인한 소재 열화 및 비용증가 문제는 상용화 과정에 있어서 걸림돌로 작용했다. 해당 연구에서 다루는 프로톤 세라믹 연료전지는(PCFC)*는 전도특성이 우수한 수소이온 전도체를 전해질로 사용하므로 저온에서 더 우수한 전기화학적 성능을 확보하며, 경제적 이점 또한 예상된다. 게다가 양방향 구동(reversible)이 가능하여 태양광, 풍력 발전으로 전력 잉여 시 해당 전력으로 물을 전기분해하여 수소로 저장하였다가, 전력 수요가 높을 시 저장 수소를 발전하여 전력 생산이 가능한 지속가능 발전소자로 유동적인 활용이 가능하다는 점에서 유망한 에너지 저장/변환 장치로 볼 수 있다. 하지만 해당 연료전지는 다소 기대에 미치지 못하는 공기극 반응속도로 내재된 에너지 저장 및 변환 특성을 발휘하지 못하는 실정이다. 따라서 공기극용 신물질 설계법 및 공기극 성능증진에 쓰일 수 있는 전략제시가 필수적이다. * 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC): 수소이온 전도체를 사용하는 고체산화물 연료전지 이에 본 연구에서는 현재까지 보고된 전극 설계 및 기능화 전략을 체계적으로 정리하고, 각 접근법의 장단점을 비교 분석함으로써 고성능 공기극 개발을 위한 방향성을 제시하고자 하였다. 또한, 차세대 PCFC 상용화를 위한 핵심 연구 흐름과 향후 주목해야 할 기술적 과제들에 대해서도 통찰을 제공하고 있다. 교신저자인 김준혁 교수는 “이번 연구를 통해 고온에서 작동하는 기존 연료전지의 한계를 극복하고, 비교적 낮은 온도에서도 안정적이고 효율적인 구동이 가능한 차세대 연료전지 개발에 실질적인 기여가 가능할 것으로 보인다.”며 “연료전지의 상용화 가능성을 앞당기고, 수소 기반 친환경 에너지 전환 기술의 확산에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망된다.”라고 밝혔다. 이 연구는 한국연구재단 및 한국전력공사의 지원을 받았으며, 결과는 재료과학 분야 최고 권위 국제학술지인 InfoMat에 2025년 4월 28일자로 게재되었다. ※논문명: Recent breakthroughs in cathode of protonic ceramic fuel cells: Materials, functionalization, and future perspectives ※ 저널: InfoMat ※ 저자: 교신저자 김준혁, 제1저자 강희찬 석사과정생, 허가온ㆍ임인식 석사과정생 ※ DOI: https://doi.org/10.1002/inf2.70025

미래에너지공학과 김준혁 교수, 포스코사이언스펠로십 선정

미래에너지공학과 김준혁 교수가 포스코청암재단에서 주관하는 제16기(2025년) 포스코사이언스펠로에 선정되었다. 포스코사이언스펠로십은 국내의 젊은 과학자들이 연구에 전념하며 세계적인 과학자로 성장할 수 있도록 지원하는 재단의 핵심 연구지원 프로그램으로, 대한민국의 미래를 이끌어 갈 과학기술 인재를 양성하는 것을 목표로 한다. 포스코사이언스펠로십은 당해 가장 우수한 연구자들이 선발되는 자리로 ‘과학계의 신인상’으로 평가받고 있다. 이번 선정 과정에서는 407명의 신진 교수가 지원해 13:1이 넘는 높은 경쟁률을 보였으며, 성균관대학교에서 김준혁 교수가 에너지 소재 분야에서 최종 선정되었다. 김준혁 교수는 “Norby Gap 돌파 수소 전도 소재 개발 및 고효율 그린수소 생산”을 목표로 연구를 진행하게 되며, 2년간 총 1억 원의 연구비를 지원받으며 해당 분야에서 새로운 성과를 창출할 계획이다.