KIST 연구팀, 중저온 연료전지 성능 2배 ↑

중저온 연료전지의 성능을 2배 가량 끌어올릴 수 있는 제조 방법이 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)는 손지원 고온에너지재료연구센터 박사팀이 심준형 고려대학교 교수팀과의 공동 연구를 통해 중저온에서 작동하는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 성능을 극대화하는 방안으로 전해질의 박막화를 효과적, 안정적으로 이끌어낼 수 있는 제조방법을 개발했다고 23일 밝혔다.

연료전지 작동에 있어 300~600°C의 중저온 온도 구간은 제조 단가와 효율, 신뢰성 측면에서 모두 유리하다고 알려져 있다. 그러나 일반적으로 연료전지는 해당 온도 구간에서 낮은 이온전도도를 가져 고성능 연료전지 제작에 어려움이 있었다.

KIST-고려대 공동연구진은 기존의 중저온 연료전지들의 한계점들을 극복하고자 PCFC를 연구에 도입했다. PCFC는 산소 대신 가장 가벼운 이온인 수소 이온을 전도하는 세라믹 막으로 구성된 연료전지다.

프로톤 세라믹은 중저온 영역에서 기존 세라믹 전해질보다 100배 이상 높은 전도도를 보여 차세대 연료전지 재료로 주목받고 있었지만, 박막으로 제작하기 어렵고 다른 세라믹 물질과의 결합력이 떨어진다는 단점이 있다.

또 문헌상에 보고되는 실제 성능들은 일반 연료전지에 비해 현저하게 낮은 수준으로, 실용화 가능성 측면에서 회의적인 평가가 지배적이었다.

KIST-고려대 공동연구진은 전해질 박막화를 안정적으로 제작할 수 있는 멀티스케일 PCFC 구조체를 개발해 기존 프로톤 세라믹 연료전지 대비 2배 이상 높은 성능이 나타났다고 보고했다. 해당 연구에서 개발된 박막 전해질은 프로톤 세라믹의 가장 큰 문제였던 높은 결정립계 저항을 획기적으로 줄여 성능을 극대화했다.

멀티스케일 기반 박막 PCFC의 미세구조 모식도 / (우) 전자현미경 이미지.

상대적으로 전해질의 저항이 큰 영향을 끼치는 세라믹 연료전지의 경우, 전해질의 두께 증가가 연료전지 전체 성능 저하로 이어질 수 있다. 연구진이 개발한 연료극 지지형 박막 PCFC는 멀티스케일 구조 특성상 전해질을 나노미터 수준의 작은 입자들 위에서 성장시킬 수 있어 1마이크로미터 수준까지 전해질 두께를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.

연구진은 얇은 전해질이 연료전지 전체 저항을 줄여 높은 출력성능을 나타냈다고 설명했다.