KIST 손지원 박사팀, 고성능 세라믹 연료전지 개발

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-04-02 16:21:46
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휴대용 연료 사용하는 세라믹 연료전지 응용처 확대될 듯
▲ KIST 손지원 박사팀의 연구원(제1저자 안 캠 티유)이 중저온에서 작동하는 고성능 세라믹 연료전지를 제작하고 있다. [사진=KIST]

[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 휴대가 용이한 부탄연료를 사용할 수 있는 고성능 세라믹 연료전지 기술을 개발했다. 대규모 발전용으로만 활용이 가능할 것으로 여겨져 온 세라믹 연료전지의 응용범위가 전기차나 로봇, 드론 등의 소형 이동수단에 확대될 것으로 기대된다.

2일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면, 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 600도 이하의 중저온 영역에서 작동하는 고성능 박막 기반 세라믹 연료전지 기술을 개발했다.

세라믹 연료전지는 보통 800도 이상의 고온작동이 특징이다. 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지 등이 낮은 열역학적 활성도를 보완하기 위해 고가의 백금 촉매를 사용하는 것과 달리 니켈과 같은 저렴한 촉매를 사용할 수 있다.

고순도 수소 외에 LPG, LNG 등 다양한 연료를 쓸 수 있다는 것이 큰 장점이지만 고온작동에는 비싼 소재와 제조 기술이 필요하다. 고온작동의 특성상 시동-정지-재가동에 시간이 오래 걸리는 점도 대형 발전용 외의 응용 가능성을 낮추는 요인으로 꼽혀왔다.

그간 작동온도를 낮추면서도 성능의 손실이 없는 연료전지에 대한 연구가 진행돼 왔으나 작동온도를 낮추면 다양한 연료를 사용할 수 있는 세라믹 연료전지의 장점이 사라지는 게 문제였다.

 

▲ KST 손지원 단장(책임연구원)
세라믹 연료전지의 니켈(Ni) 촉매는 메탄, 프로판, 부탄 등 일반적인 탄화수소계 연료를 낮은 온도에서 사용 시 연료를 변환한 후 생성되는 탄소가 표면에 쌓이면서 촉매 성능이 기하급수적으로 떨어진다.

손지원 박사팀은 전해질과 접하고 있는 연료극의 최 근접부위에 연료를 쉽게 변환할 수 있는 고성능의 2차 촉매를 박막공정으로 삽입하는 방법으로 문제를 해결했다.


기존의 연료극 소재인 니켈-전해질 복합체 박막층과 2차 촉매 금속 박막층을 교차로 증착해 나노구조 특성은 그대로 유지하면서도 2차 촉매가 균일하게 분포될 수 있도록 박막층의 두께와 층수를 최적화했다.

KIST 연구진은 저온에서 높은 촉매활성도를 가진 팔라듐(Pd)과 루테늄(Ru), 구리(Cu) 등의 2차 촉매를 나노구조 연료극 내에 삽입하는 데 성공했다. 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 부탄 연료를 사용해 중저온 작동온도 영역인 섭씨 500~600도에서 새로 개발한 박막기반 세라믹 연료전지의 성능을 확인했다고 설명했다.

손지원 박사는 “그간 발전용으로만 여겨진 세라믹 연료전지를 낮은 온도에서도 휴대용 연료로 작동이 가능하도록 해 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용할 가능성을 확인했다”라며 연구의의를 설명했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부지원으로 KIST 미래원천 과제, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업 및 기후변화대응사업으로 수행됐으며 연구결과는 환경, 화학공학 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B - Environmental’ (IF : 14.229, JCR 분야상위 : 0.962%) 2020년 4월호에 게재됐다.

 

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