차세대 연료전지 ‘프로톤 세라믹 전지’…낮은 온도서 전해질 만든다

지호일 KIST 책임연구원, 최시혁 금오공대 교수 공동 연구진

한국과학기술연구원(KIST)과 금오공대 연구진이 '프로톤 세라믹 연료전지'의 전해질 성능을 높이는 새로운 공정을 개발했다. 두 가지 물질을 혼합해 제작 온도는 낮추면서도 출력밀도는 2배 높였다./한국과학기술연구원

국내 연구진이 차세대 연료전지에 사용하는 전해질의 성능은 높이면서 효율적으로 생산할 수 있는 공정 기술을 개발했다. 친환경 에너지원인 수소의 활용 범위를 넓히는 데 도움이 될 것으로 기대를 모은다.

지일호 한국과학기술연구원(KIST) 수소에너지소재연구단 책임연구원과 최시혁 금오공대 교수가 이끄는 공동 연구진은 고체산화물 연료전지의 전해질을 저온에서 만드는 생산 공정을 개발했다고 28일 밝혔다.

전해질과 전극이 모두 금속산화물로 만들어지는 고체산화물 연료전지(SOC)는 전력과 수소를 동시에 만들 수 있다. 섭씨 600도 이상의 고온에서 작동하는 만큼 다른 연료전지 기술보다 효율도 높다. 다만 높은 온도를 버틸 수 있는 소재를 사용해야 해 생산 비용이 비싸고, 장기간 작동 시 성능 저하가 심하다는 문제가 있다.

연구진은 차세대 고체산화물 연료전지 중 하나인 ‘프로톤 세라믹 전지(PCC)’의 전해질을 저온에서 만들 수 있는 공정을 개발했다. 프로톤 세라믹 전지는 산소 이온을 사용하는 기존 전해질과 달리 수소 이온을 이용해 이온전도도를 획기적으로 높일 수 있다. 하지만 전해질을 만들 때 1500도 이상의 고온이 필요한데, 이 과정에서 구성 성분이 변해 성능 저하가 심하다는 문제로 상용화는 이뤄지지 않고 있다.

연구진은 전해질 제작 온도를 낮추는 새로운 공정을 개발했다. 일반적으로 단일 성분의 분말을 고온에서 구워 만드는 전해질과 달리 두 종류의 물질을 섞어 제조 온도를 낮췄다. 두 가지 물질 중 우수한 특성을 나타내는 물질이 특성을 결정하고 다른 물질은 ‘오스트발트 라이프닝’ 현상으로 흡수되며 최종적인 물질을 만드는 원리다. 여기에 새로운 공정을 적용해 낮은 온도에서 만든 전지의 특성도 향상시켰다. 그 결과, 섭씨 600도에서 전해질을 만들 수 있었으며, 출력 밀도는 ㎠ 당 950㎽ 수준으로 기존 공정보다 2배 이상 높였다.

연구진은 이번에 개발한 공정을 활용해 대면적 공정을 개발해 상용화가 가능한 수준으로 발전시킨다는 계획이다.

지 책임연구원은 “프로톤 세라믹 전지 제작 과정 중 고질적인 문제를 해결할 수 있었다”며 “대면적화 기술을 성공적으로 개발하면 전력 생산과 수전해를 통한 그린수소, 원자력 발전소의 폐열을 활용한 핑크수소 생산 기술로 활용해 에너지의 효율적인 관리가 가능해질 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 지난 12일 소개됐다.

참고 자료

Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202400787

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