KIST·금오공대, "대면적 3년내 완성하면 그린·핑크수소 생산 가능"

프로톤 세라믹 전지 밀도 기존 대비 2배이상 높여

(지디넷코리아=박희범 기자)100% 친환경수소인 '그린수소'를 생산할 수 있는 차세대 연료전지 합성법이 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소에너지소재연구단 지호일 책임연구원 연구팀과 금오공과대학교 최시혁 교수 연구팀이 공동으로 기존대비 낮은 온도에서 프로톤 세라믹 전지의 전해질 밀도를 2배 이상 높이는데 성공했다고 29일 밝혔다.

전해질이나 전극 등 모든 구성요소가 세라믹과 같은 금속산화물로 구성된 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Cell; SOC)는 동시에 전력과 수소 생산이 가능하다. 600℃ 이상의 고온에서 작동하기 때문에 다른 연료전지 대비 전력 변환 효율도 높다.

차세대 연료전지 합성법을 개발한 연구진. 왼쪽부터 제1저자인 김준석 미 유타대 박사후연구원, 지호일 KIST 책임연구원, 최시혁 금오공대 교수(이상 교신저자).

그러나 고온 내구성을 지닌 재료를 사용하기 때문에 생산비용이 높고 장기간 작동 시 열화로 인한 성능 저하가 유발된다.

연구팀은 고체산화물 전지 중 수소이온인 프로톤(Proton)을 사용하는 프로톤 세라믹 전지(Protonic Ceramic Cell; PCC)에 주목했다.

PCC가 산소이온을 전달하는 기존 전해질과 달리 크기가 작은 수소이온을 전달하기 때문에 높은 이온전도도를 구현할 수 있으리라는 기대 때문이다.

지호일 책임연구원은 "그러나 이 방법에도 문제가 있었다"며 "프로톤 세라믹 전지 전해질을 제작하기 위해서는 1천500℃ 이상 고온에서 소결해야 하는데, 이 온도에서는 구성물이 휘발 또는 석출되는 현상이 발생한다. 이는 전해질의 성능 저하로 이어진다"고 말했다.

연구팀은 이 문제 해결을 위해 전해질 소재를 합성하는 새로운 공정을 개발했다.

일반적으로는 하나의 화합물로 구성된 분말을 소결해 프로톤 세라믹 전지의 전해질을 제작한다. 하지만 소결 온도를 낮추기 위해 투입한 첨가제가 전해질에 남아 전지 출력밀도를 저해한다.

저온합성으로 제조된 프로톤 세라믹 전해질이 소결되는 원리를 보여준다.

연구팀은 이에 두 가지 상이 공존하는 전해질을 저온 합성법으로 제조했다. 이 화합물은 소결 가속화 과정에서 첨가제 없이도 1천400℃이하에서 소결됐다. 

지호일 책임연구원은 "100℃만 낮춰도 전해질 조성이 변하지 않는다"며 "600℃에서는 기존 대비 약 2배 향상된 출력밀도(950㎽/㎠)를 달성했다"고 설명했다.

연구진은 3년내 프로톤 세라믹 대면적 전지(10ⅹ10㎝)를 개발할 계획이다.

지호일 책임연구원은 "대면적화 기술이 성공적으로 개발되면 전력 생산과 수전해를 통한 그린수소, 원자력 발전소의 폐열을 활용한 핑크수소 생산 기술로 활용해 에너지의 효율적인 관리가 가능해질 것"이라고 밝혔다.

연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부 지원을 받았다.

연구성과는 국제 학술지 '어드밴스트 에너지 머터리얼즈'에 게재됐다.

단일상(A) 및 이중상(B) 프로톤 세라믹 전해질 소결 거동 비교도.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)