중온 작동 연료전지 향상시킬 육각형 페로브스카이트 산화물, 뛰어난 전해질로 주목받다

Seoul도쿄 공대의 연구진이 연료 전지 기술에서 중요한 진전을 이루었습니다. 이들은 육방정계 페로브스카이트 관련 산화물, 특히 Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (여기서 R은 희토류 금속) 소재가 양성자 세라믹 연료 전지(PCFCs)에 효과적인 물질이 될 수 있음을 발견했습니다. 이 발견은 향상된 연료 전지 개발에 희망적인 소식입니다.

• 높은 프로톤 전도성
• 뛰어난 열 안정성
• 독특한 결정 구조
• 완벽한 수화 능력
• 높은 프로톤 확산률

연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 만들며, 부산물로는 물과 열만 생성됩니다. 연료전지는 주로 세 가지 주요 부분으로 구성되는데, 이는 양극, 음극, 그리고 전해질입니다. 양극에서 수소는 양성자(H⁺)와 전자로 분해됩니다. 양성자는 전해질을 통해 음극으로 이동하여 산소와 결합해 물을 생성합니다.

대부분의 연료 전지, 즉 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 산화 이온 전도체를 사용하며 고온에서 작동해야 하기 때문에 시간이 지남에 따라 재료가 마모될 수 있습니다. 연구자들은 프로톤 세라믹 연료 전지(PCFC)에 주목하고 있는데, 이는 더 낮은 온도(200-500°C)에서 작동할 수 있기 때문입니다. 하지만 이러한 낮은 온도에서 양질의 프로톤 전도성을 가지면서 안정적인 재료를 찾는 것은 어려운 과제입니다.

도쿄공업대학과 도호쿠대학교의 연구팀은 마사토모 야시마 교수의 지도 아래 Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ 산화물이 우수한 전해질이 될 수 있음을 발견했습니다. 이 산화물은 약 300°C에서 거의 0.01 S cm⁻¹의 높은 양성자 전도성을 지닌 것으로 나타났으며, 이는 유사한 다른 물질보다 높은 수준입니다. 연구에 사용된 희토류 금속은 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 이트륨(Y), 어븀(Er), 툴륨(Tm), 이터븀(Yb)입니다.

고유한 결정 구조로 인해 이 소재는 높은 프로톤 전도성을 갖습니다. 층상 구조는 팔면체와 산소가 부족한 층으로 이뤄진 A O₃-δ (h')로 구성되어 있습니다. 물이 첨가되면 이 층의 빈 공간들이 채워지면서 수산화물 이온(OH⁻)이 형성되고, 이로 인해 프로톤(H⁺)이 방출됩니다. 이 프로톤들이 구조를 통해 이동하면서 전도성이 향상됩니다.

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연구자들은 고체 반응을 통해 BEAS를 개발했습니다. 이 물질은 많은 산소 결핍(δ = 0.2)을 가지고 있었고, 수분을 완전히 흡수할 수 있었습니다. 356°C의 습한 질소 환경에서는 건조한 질소 환경보다 전도도가 2,100배 더 높았습니다. 완전히 수화되었을 때, 303°C에서의 전도도는 0.01 S cm⁻¹였습니다.

팔면체 층은 양성자가 쉽게 이동할 수 있도록 하여 양성자 전도성을 높입니다. 시뮬레이션 결과, 이 층에서 양성자가 먼 거리를 이동하는 것으로 나타났으며, 이는 그들이 빠르게 움직인다는 것을 시사합니다. 야시마는 BEAS가 높은 양성자 전도성을 가지는 이유는 많은 양성자 수와 높은 확산 속도 때문이라고 설명합니다.

이 물질은 PCFC 작동에 사용되는 온도에서 화학 물질에 대해 안정적입니다. 수증기, 산소, 공기, 수소, 이산화탄소와 함께 600 °C에서 실시한 실험에서도 조성이나 구조에 변화가 없었습니다. 이는 이 물질이 내구성이 뛰어나 지속적으로 사용해도 붕괴되지 않는다는 것을 의미합니다.

야시마는 산소 결함이 많은 특정 물질에서 높은 프로톤 전도성이 미래의 효율적인 프로톤 전도체를 만드는 좋은 방법이라고 주장한다.

이 재료는 연료 전지를 더 효율적이고 내구성이 높으며 낮은 온도에서도 작동할 수 있게 만들어줍니다.