KIST 연구진, 연료전지 경제성과 고성능화 동시 달성

[인더스트리뉴스 최홍식 기자] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 고온에너지재료연구센터 이종호, 지호일 박사팀이 한양대학교 신동욱 교수팀과의 협업을 통해 상용화가 가능한 수준의 고성능 대면적 프로톤 세라믹 연료전지(Protonic Ceramic Fuel Cell, PCFC)를 개발했다고 과학기술정보통신부가 밝혔다.

연료전지는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치로 오염물질 배출 없이 높은 발전효율을 갖는 미래 에너지 소자다.

특히 세라믹 연료전지는 귀금속 촉매가 사용되지 않음에도 다른 연료전지에 비해 발전효율이 높고 다양한 연료사용이 가능해 전 세계적으로 주목받고 있으며, 그 중에서도 가장 가벼운 이온인 프로톤(수소 이온)을 전도하는 세라믹 전해질로 구성된 프로톤 세라믹 연료전지는 이론적으로 중저온영역에서 기존 세라믹 연료전지 전해질보다 100배 이상 높은 전기 전도도를 갖기 때문에 차세대 연료전지로 주목받고 있다.

그러나 박막 전해질-전극 접합체 제작이 매우 어렵고 고온 공정 중 열화로 인해 급격한 물성저하가 발생하기 때문에 상용화 가능성이 요원했다.

KIST 이종호, 지호일 박사팀은 신동욱 교수팀과의 협업을 통해 프로톤 세라믹 연료전지의 성능을 극대화하는 동시에 상용화가 가능한 수준의 대면적 전지를 제조할 수 있는 공정기술 개발을 추진했다.

이 과정에서 전해질-전극 접합체 구조의 열처리 과정 중 전해질이 치밀해지는 원리를 세계 최초로 체계화 했고, 이를 응용해 공정 온도를 획기적으로 낮출 수 있었다. 또한, 연구진은 추후 상용화를 고려해 실제 양산공정에 쓰이는 대면적 스크린 인쇄법과 단시간 저온 열처리가 가능한 마이크로파 공정을 활용함으로써 경제성을 확보했다.

5μm 두께의 전해질로 구성된 5x5㎠ 크기의 대면적 프로톤 세라믹 연료전지는 기존 결과에 비해 10배 이상의 높은 출력을 나타냈으며, 실제 연료전지 사용 환경과 유사한 측정 시스템에서 세계 최고 수준의 출력성능을 검증했기에 그간 요원하게만 느껴졌던 프로톤 세라믹 연료전지의 상용화 가능성을 보여주었다는 것이 괄목할 만한 성과로 인정받고 있다.

이종호 박사는 “이번 연구결과는 단순 전력생산 외에도 연료생산 및 저장 등 다양한 분야에 적용 가능하며, 향후 큰 가변성을 갖는 재생에너지의 활용도를 높이는데도 획기적인 기여를 하게 될 것이다”고 밝혔다.

이 연구는 과기정통부 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 에너지 기술 분야의 국제 학술지 ‘Nature energy' 8월 28일자 온라인 판에 게재됐다.

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