박막 프로톤 세라믹 연료전지 설명 그림멀티스케일 기반 박막 PCFC의 미세구조 모식도(왼쪽)와 전자현미경 이미지. /사진제공=KIST

국내 연구진이 차세대 연료전지 소재로 주목받는 프로톤 세라믹의 전해질 박막화에 성공, 300~600도의 중저온 연료전지 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기반을 마련했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 23일 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀이 고려대 심준형 교수팀과 중저온에서 작동하는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 성능 극대화 방안을 연구, 세라믹 전해질을 효과적, 안정적으로 박막화 하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

손지원(왼쪽) KIST 박사와 심준형 고려대 교수

PCFC는 산소 대신 가벼운 수소 이온을 전도하는 세라믹 막으로 구성된 연료전지로 중저온 영역에서 기존 세라믹 전해질보다 100배 이상 높은 전도도를 보인다. 하지만 박막으로 만들기 어렵고 다른 세라믹 물질과 결합력이 떨어지는 단점이 있다.


연구진은 안정적인 전해질 박막화를 위해 멀티스케일(multi-scale) 프로톤 세라믹 연료전지 구조체를 개발, 머리카락보다 얇은 전해질이 연료전지 저항을 크게 줄이며 기존 프로톤 세라믹 연료전지보다 성능을 2배 이상 높이는 데 성공했다. 나노미터 수준의 작은 입자 위에서 성장시킬 수 있어 1㎛(100만분의 1ｍ)까지 전해질 두께를 줄인 게 주효했다.

연구팀은 200도 이하 저온형 연료전지는 비싼 백금 촉매를 사용해야 하고 600도 이상 고온형은 저렴한 세라믹 물질로 제작할 수 있지만 높은 작동온도에 따른 열화로 성능이 저하되는 문제가 있어 중저온 연료전지의 성능향상에 나섰다. 손 박사는 “중저온 연료전지 개발은 기존 연료전지 연구에 새로운 패러다임을 제시하는 중요한 전환점이 될 것”이라고 말했다.

이 연구는 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 게재됐다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com