세계 최고 성능 '수소이온 세라믹 연료전지' 개발

[아이뉴스24 민혜정기자] 국내 연구진이 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다.

고려대학교 기계공학과 심준형 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST) 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀은 화학적, 기계적으로 안정한 이트륨이 도핑된 바륨지르코네이트(Y:BaZrO3, BZY) 전해질의 박막화에 성공하고, 이를 통해 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다고 24일 발표했다.

연료전지는 연료를 전기화학적으로 직접 전기로 변환하는 친환경, 고효율 발전 장치다. 특히 수소를 연료로 사용하면 부산물로 순수한 물만이 배출되는 전력생산이 가능해 미래 청정 에너지 시스템으로 각광받고 있다.

이같은 장점으로 연료전지는 자동차에서 드론, 휴대용 전원 및 발전소까지 그 사용 범위가 무궁무진할 것으로 예상된다.

고체산화물 연료전지(SOFC)로 대표되는 세라믹 연료전지는 미래 발전소 전원으로 많은 관심을 받고 있다. 이미 미국과 일본 등에서는 정부의 지원 아래 지난 수십년간 세라믹 연료전지 원천 연구에 박차를 가해왔다.

기존 세라믹 연료전지는 산소 이온 전도막을 전해질로 주로 사용하는데, 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 제한됐다.

이에따라 산소 이온 전도체 대체 물질로 수소이온 전도체 세라믹이 최근 많은 관심을 받고 있다. 수소이온은 산소이온보다 8배 가볍기 때문에 수소이온 세라믹은 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높은 특징이 있다.

특히 BZY는 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 높은 대표적인 물질로 알려져 있다. 하지만 BZY는 조성에 맞게 합성하기 힘들고 전해질 막으로 제작이 어려운 단점이 있다.

고려대, KIST 공동 연구진은 최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용해 화학적, 기계적으로 안정한 초박막 BZY 전해질 증착에 성공했다. 이렇게 제작된 초박막 BZY 기반 연료전지는 기존 BZY 기반 연료전지 대비 약 10배가량 높은 출력밀도를 보이는 결과를 냈다.

연구진은"이번 고성능 BZY 연료전지 개발의 성공은 저온 세라믹 연료전지의 새로운 패러다임을 제시할 수 있다고 본다"며 "세라믹 연료전지의 사용 영역이 기존의 분산발전소를 뛰어넘어 가정용, 이동형 전원으로도 확대될 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부의 일반연구자지원사업, 글로벌프런티어 연구사업, KIST 미래원천 연구사업 및 교육부의 BK21 플러스사업의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.