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수소나 메탄(Methane)을 이용한 화학반응을 통하여 전기를 생산하고 부산물로 환경에 무해한 물을 만드는 연료전지는 미래 청정 자동차 동력원을 모색하는 엔지니어, 환경운동가, 비지니스 리더들에게 꿈과 같은 제품이다. 그러나 경제적인 연료전지 제조에 앞서 해결해야 할 많은 난관들이 있다. 미 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)와 일리노이대학 시카고 캠퍼스(University of Illinois at Chicago, UIC)의 연구진은 이러한 목표를 달성할 수 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 개발을 위한 연구 프로젝트에 집중하고 있다.
UIC 바이오 및 화학공학과 교수이자 이번 프로젝트의 책임을 맡고 있는 Christos Takoudis는 현재 가동되고 있는 온도보다 낮은 범위에서 작동할 수 있는 연료전지를 합성하고, 그 특성을 파악하기 위해 미국 국립과학재단(National Science Foundation)으로 부터 475,000 달러(약 5억원)의 연구자금을 지원 받았다. Takoudis 교수는 “SOFC는 매우 작은 규모로 축소될 수 있다.”고 말한다.
SOFC는 전기화학적 변환에 의하여 연료를 산화하여 전기를 만들어내고, 양극과 음극 회로 사이의 전해질로서 고체 산화물을 사용한다. SOFC의 작은 크기와 고체 상태는 매력적인 요인으로 작용하나, SOFC가 작동하기 위해서 약 980℃에 도달해야 한다는 점은 큰 단점으로 작용하고 있다. Takoudis 교수와 연구진은 중간 온도범위(Intermediate Range)라고 생각되는 600~800℃ 사이에서 SOFC를 작동할 수 있도록 연구를 수행하고 있다. 또한 나노 단위의 연료전지를 제조한다면 어떠한 일이 벌어지는지 확인하려 한다. Takoudis 교수는 “연구진은 낮은 온도범위에서 매우 효율적인 연료전지를 제조하기 위해 새로운 물질과 공정 개발에 노력하고 있다. 고온 가동에 적합한 소재 및 설계는 훨씬 까다롭고 추가적인 예방책이 요구된다.”라고 말한다.
연구에 있어 중요한 점은 양극, 음극, 전해질과 같은 주요 구성요소들이 인터페이스 접점(Interface Junction)에서 얼마나 잘 작동할 수 있는가와 오염 문제가 있다면 어떠한 오염이 존재하는가에 대한 것이다. Takoudis 교수는 “연료전지의 크기가 작아지면 기존의 대형 시스템 보다 총 체적 대비 실제 접촉면적이 커지기 때문에 이러한 접점이 훨씬 중요하게 된다.”고 설명한다.
UIC 연구진은 양극, 음극, 전해질로서 SOFC에 적합한 물질을 테스트하기 위해 마이크론 단위의 층부터 나노 단위의 층까지 다양한 두께를 가진 재료들을 Takoudis 교수의 실험실과 아르곤 연구소의 Advanced Photon Source를 활용하여 테스트 할 계획이다. 아르곤 연구소의 비균일 촉매반응 연구그룹(Heterogeneous Catalysis Group)의 책임자인 Jeffrey Miller는 이번 프로젝트의 일부를 감독할 예정이다. Takoudis 교수와 함께 프로젝트를 수행하고 있는 Gregory Jursich, Alan Zdunek 교수는 연료전지 구성 요소들을 제조하고, 효율을 극대화하기 위해 원자층 및 화학적기상증착(Atomic Layer and Chemical Vapor Deposition)을 이용한 방법을 연구할 예정이다. UIC 물리학 교수인 Robert Klie는 전자현미경연구 및 물질계면분석 연구를 수행할 예정이다.
기존 대비 더 작고 낮은 온도에서 작동하는 고효율 SOFC를 제조하는 것은 새로운 응용분야에 환경 및 경제적인 장점을 부여할 것으로 기대된다. Takoudis 교수는 “오늘날 연료전지의 가격은 매우 높은 수준이다. 연구진은 경제적인 가격 수준을 유지하면서 환경에 해가 적은 전력원을 제조하기 위해 새로운 기술에 도전하길 원한다.”라고 말했다.
출처 : http://www.physorg.com/news/2011-06-goal-cooler-smaller-fuel-cells.html
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