안정성 높인 세라믹 연료전지..자동차·드론 등으로 활용 범위 확대

손지원 KIST 박사팀, 한승민 KAIST 교수와 공동연구 통해 성과

(서울=뉴스1) 조소영 기자 = 국내 연구진이 촉매량은 20분의1로 줄이면서 안정성과 고성능을 모두 확보한 '세라믹 연료전지'를 개발했다.

이로써 대형 발전용으로만 활용이 가능했던 세라믹 연료전지의 응용 범위가 시동과 정지, 재가동이 필요한 자동차용, 로봇용, 드론용으로까지 넓어지게 됐다.

21일 한국과학기술연구원(KIST)은 손지원 에너지소재연구단 박사팀이 한승민 한국과학기술원(KAIST) 교수와의 공동연구를 통해 이같은 성과를 거뒀다고 밝혔다.

고온형 연료전지의 대표격인 세라믹 연료전지는 통상 800도 이상의 고온 작동이 특징이다.

덕분에 활성도가 높아 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지가 고가의 고활성 백금 촉매를 사용하는 것과 달리 니켈과 같은 저렴한 촉매를 사용할 수 있다.

하지만 연료극의 약 40%를 구성하는 니켈이 고온의 작동조건에서 서로 만나 응집된 후 반복적인 정지-재가동으로 인한 산화와 환원 과정에 노출되면 니켈이 팽창, 수축해 세라믹 연료전지 전체 구조의 파괴로 이어지는 문제가 있었다.

여러 차례 재가동할 수 없는 이 치명적인 단점은 세라믹 연료전지를 대형 발전 외의 용도로는 사용하기 어렵게 했다.

손 박사팀은 이런 문제를 연료극의 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 않도록 니켈 함량을 기존 연료극 대비 20분의1 수준인 2%까지 줄인 신개념 연료전지를 개발했다.

니켈 촉매 크기를 나노미터(㎚) 수준으로 작게 만들되 표면적을 키워 촉매 함량이 줄어든 것을 보완했다. 또 박막 공정을 통해 크기와 함량이 아주 작은 촉매를 연료극 박막층에 고르게 분포시켜 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 못하도록 했다.

이렇게 개발된 신개념 연료극을 연료전지에 적용해 운전한 결과, 20회 미만의 산화-환원 사이클에도 파괴되던 기존 세라믹 연료전지는 100회를 넘는 사이클에도 전극의 파괴나 성능의 저하가 없었다.

특히 니켈 함량의 감소로 우려됐던 세라믹 연료전지의 성능은 니켈 입자의 나노화로 오히려 기존 기술 대비 1.5배 가량 향상돼 안정성과 성능 모두 진전을 얻었다.

손 박사는 "이번 연구를 통해 세라믹 연료전지의 안정성과 성능을 동시에 획득해 작동 수명을 향상시키고 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용 범위를 확장할 가능성을 확인했다"고 말했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로, KIST 주요사업 및 한국연구재단 글로벌프론티어사업, 중견연구자지원사업으로 수행됐다. 연구결과는 금속재료공학 분야의 최상위 국제학술지(Acta Materialia)에 게재됐다.

cho11757@news1.kr

IT