차세대 연료전지 상용화 `한걸음 더`… 전해질 新합성법으로 출력밀도 향상

KIST, 프로톤 세라믹 진지 전해질 소결 해결
낮은 온도서 특성 높이고, 공정시간 단축

한국과학기술연구원은 차세대 연료전지로 주목받고 있는 프로톤 세라믹 전지의 전해질 소결 온도를 낮추는 새로운 합성법을 개발해 상용화에 한 발 다가섰다. KIST 제공

국내 연구진이 차세대 연료전지인 프로톤 세라믹 전지의 고질적 문제를 해결해 공정 시간을 줄이면서 성능을 높이는 새로운 전해질 합성법을 개발했다. 앞으로 전력 생산과 수전해를 통한 그린수소, 원자력발전소의 폐열을 활용한 핑크수소 생산 기술에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 지호일 박사 연구팀과 최시혁 금오공대 교수 연구팀이 함께 프로톤 세라믹 전지의 전해질의 소결 온도를 획기적으로 낮출 수 있는 새로운 합성법을 개발했다고 28일 밝혔다.

전해질, 전극 등 모든 구성요소가 세라믹과 같은 금속 산화물로 구성된 기존 고체산화물 연료전지(SOC)는 전력과 수소 생산이 동시에 가능하고, 600도 이상의 고온에서 작동하기에 다른 연료전지에 비해 전력변환 효율이 높다. 하지만 고온 내구성을 가진 재료를 사용해 생산비용이 높고, 장기간 작동 시 열화 현상으로 성능이 저하되는 한계가 있다.

이를 위해 최근 고체산화물 연료전지 중 산소이온을 전달하는 기존 전해질과 달리 크기가 작은 수소이온인 프로톤을 사용해 이온전도도를 높인 프로톤 세라믹 전지가 차세대 연료전지로 주목받고 있다. 그러나, 프로톤 세라믹 전지의 전해질을 제작하려면 1500도 이상 고온에서 소결이 필요한데, 이 과정에서 전해질 구성물질이 빠져 나와 전해질 성능을 떨어 뜨려 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 전해질 소결 온도를 낮추기 위해 하나의 화합물로 구성된 분말을 소결하는 대신 두 종류의 화합물이 혼합된 분말을 전해질로 제조하는 과정에서 첨가제 없이 소결 온도가 1400도로 낮아지는 것을 확인했다. 이렇게 제조된 전해질은 낮은 온도에서 치밀한 막을 형성해 전지의 전기화학적 특성을 향상시켰고, 실제 프로톤 세라믹 전지에 적용해 600도에서 기존 대비 2배 향상된 출력밀도를 달성했다.

공정시간을 단축하면서 열적 안정성과 세라믹 전해질의 성능을 동시에 향상시킨 것이라고 연구팀은 설명했다.

지호일 KIST 박사는 "프로톤 세라믹 전지 제작 과정 중 고질적 문제인 소결을 해결한 연구성과로, 두 화합물 간 소결 가속화 현상을 이용한 새로운 공정을 대면적 전지 제작에 적용해 상용화를 추진할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 재료분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(지난 12일)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr