세계 최고 성능 중저온 세라믹 연료전지 개발

심준형 교수팀, '어드밴스드 에너지 머터리얼즈' 논문 개제

▲ 심준형(연구책임자(고려대), 공동교신저자), 손지원(연구책임자/KIST), 공동교신저자), 배기호 (제1저자/고려대)

고려대학교 기계공학과 심준형 교수 연구팀은 KIST 손지원 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 중저온 영역(300~600°C) 세계 최고 성능의 세라믹 연료전지를 개발하는 데 성공했다.
 
고려대학교 기계공학과 배기호 연구교수가 제1저자로 참여한 이 연구는 에너지 분야의 세계적인 저명 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈’(Advanced Energy Materials, IF : 21.875, JCR 분야상위 1.712%) 최신호에 게재됐다
* 논문명 : High-performance Protonic Ceramic Fuel Cells with 1 μm thick Y:Ba(Ce,Zr)O3 Electrolytes

이번 연구는 산업통산부산하 한국에너지기술평가원(원장 임춘택)의 연구과제 및 과학기술정보통신부(장관 유영민) 글로벌프론티어 연구사업의 일환으로 수행됐다.
 
그동안 연료전지는 전해질의 작동온도에 따라 저온형(200°C 이내) 및 고온형(600°C 이상)으로 구분되어왔다. 저온형 연료전지는 비싼 백금 촉매를 사용해야 하는 반면, 고온형 연료전지는 저렴한 세라믹 물질로만 제작된다는 장점이 있다. 하지만 높은 작동 온도로 인하여 장기내구성과 활용도가 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 세라믹 연료전지의 한계를 극복할 수 있는 방안으로 300~600°C에서 작동가능한 중저온 세라믹 연료전지에 전세계적인 관심이 집중되고 있다.
 
프로톤 세라믹 연료전지(protonic ceramic fuel cell, PCFC)는 가장 가벼운 이온인 수소 이온을 전도하는 세라믹 막으로  구성된 연료전지이다. 프로톤 세라믹은  중저온 영역에서 기존 세라믹 전해질보다 100배 이상 높은 전도도를 보여 차세대 연료전지 재료로 주목받고 있다. 하지만 프로톤 세라믹은 박막으로 제작하기 어럽고 다른 세라믹 물질과의 결합력이 떨어진다는 단점이 있다.

▲ 심준형(연구책임자(고려대), 공동교신저자)

▲(좌)배기호 (제1저자/고려대), (우)심준형(연구책임자(고려대), 공동교신저자)

고려대-KIST 공동 연구팀은 박막 전해질을 안정적으로 제작할 수 있는 멀티스케일 PCFC 구조체를 개발하여, 기존 프로톤 세라믹 연료전지 대비 2배 이상 높은 성능을 보고하였다. 해당 연구에서 개발된 박막 전해질은 프로톤 세라믹의 가장 큰 문제였던 높은 결정립계(grain boundary) 저항을 획기적으로 줄임으로써 PCFC 성능을 극대화할 수 있었다.
 
이번 연구는 비교적 많이 사용되어왔던 프로톤 세라믹인 Y:Ba(Ce,Zr)O3 기반으로 고성능 PCFC 개발을 성공했다는 점에서 매우 흥미롭다. 향후 더욱 뛰어난 성능을 보이는 새로운 재료를 활용하면, 이번 연구에서 제안된 멀티레이어 PCFC 구조체를 통하여 성능을 쉽게 높일 수 있는 가능성이 있기 때문이다.
 
심준형 고려대 교수는 “안정적으로 중저온 구동이 가능한 PCFC 스택이 개발되면 발전소에 국한되어있던 세라믹 연료전지의 적용범위를 가정용 및 이동형 전원 등으로 크게 확대할 수 있다.”며 연구 성과의 의의를 밝혔다.

[그림 설명] 멀티스케일 기반 박막 PCFC의 미세구조 모식도(좌) 및 전자현미경 이미지(우)

[그림 설명] 이번 연구결과와 문헌상에 앞서 보고된 PCFC 최고출력밀도와의 온도별 비교

기사작성 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)

사진촬영 : 커뮤니케이션팀 김나윤(nayoonkim@korea.ac.kr)