KIST, 차세대 연료전지의 새로운 전해질 합성법 개발…경제성·고성능화 동시 달성

한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)이 차세대 연료전지 생산 비용을 줄일 수 있는 방법을 개발했다.

KIST는 지호일 수소에너지소재연구단 박사, 최시혁 금오공대 교수팀이 차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지(PCC) 전해질 치밀화 과정을 유발하는 소결(분말에 열을 가하면서 압착하는 방법) 온도를 획기적으로 낮출 수 있는 신규 합성법을 개발했다고 28일 밝혔다.

최근 고체산화물 연료전지(SOC) 중 수소이온인 프로톤을 사용하는 PCC가 차세대 연료전지로 주목받고 있다.

산소이온을 전달하는 기존 전해질과 달리 크기가 작은 수소이온을 전달해 높은 이온전도도를 구현할 수 있다. 다만 전해질 제작에 1500도 이상 고온 소결이 필요한데, 이 과정에서 전해질 성능이 저하돼 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

저온합성으로 제조된 프로톤 세라믹 전해질 소결 원리

연구팀은 소결 온도를 낮추기 위해 새로운 전해질 소재 합성 공정을 개발했다. 일반적으로는 하나의 화합물로 구성된 분말을 소결해 PCC 전해질을 제작한다.

하지만 소결 온도를 낮추기 위해 투입된 첨가제가 전해질에 잔류해 전지 출력밀도를 저해하는 문제가 발생했다. 연구팀은 저온 합성으로 두 종류 화합물이 혼합된 분말을 전해질로 제조했을 때, 소결 특성이 우수한 하나의 화합물로 합성되는 '소결 가속화 과정'에서 첨가제 없이도 소결 온도가 1400도로 낮아지는 것을 확인했다.

새로운 공정으로 합성한 전해질은 낮은 온도에서도 치밀한 막을 형성해 전지 전기화학적 특성을 향상시켰다.

또 이 전해질을 실제 PCC에 적용했을 때, 우수한 프로톤 전달 특성이 발현돼 600도에서 기존 대비 약 2배 향상된 출력밀도(950㎽/㎠)를 달성했다. 공정 시간 단축, 열적 안정성 및 세라믹 전해질의 성능 향상을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다.

연구진은 향후 프로톤 세라믹 전지 상용화를 위해 이를 대면적 전지 제작에 적용할 예정이다.

지호일 박사는 “PCC 제작 과정 중 고질적인 소결 문제를 해결할 수 있었다”며 “대면적화 기술이 성공적으로 개발되면 전력 생산과 수전해를 통한 그린수소, 원자력 발전소 폐열을 활용한 핑크수소 생산 기술로 활용해 효율적인 에너지 관리가 가능해질 것”이라고 밝혔다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com