▲ KIST 손지원 박사팀의 안 캠 티유 연구원(제1저자)이 중저온에서 작동하는 고성능 세라믹 연료전지를 제작하고 있다.

국내 연구진이 휴대가 용이한 부탄연료를 사용할 수 있는 고성능 세라믹 연료전지를 개발해 상용화 가능성을 크게 높였다. 고온의 작동조건 탓에 대형 발전용으로만 활용이 가능할 것으로 여겨져 온 세라믹 연료전지의 응용 범위가 전기차·로봇·드론 등 소형 이동수단으로도 확대될 것으로 예상된다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 600°C 이하의 중저온 영역에서 작동하는 고성능 박막 기반 세라믹 연료전지 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

고온형 연료전지의 대표격인 세라믹 연료전지는 통상 800℃ 이상의 고온작동이 특징적이다.

이 덕분에 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지 등이 낮은 열역학적 활성도를 보완하기 위해 고가의 백금 촉매를 사용하는 것과 달리, 니켈과 같은 값싼 촉매를 사용할 수 있다.

또한 고순도 수소 외에 LPG, LNG 등 다양한 연료를 쓸 수 있다는 게 큰 장점이다.

반면에 역설적으로 고온작동에는 비싼 소재와 제조 기술이 필요하다. 고온작동의 특성상 시동-정지-재가동에 시간이 오래 걸리는 점도 대형 발전용 외의 응용 가능성을 낮추는 요인이 됐다.

이에 따라 전 세계적으로 작동온도를 낮추면서도 성능의 손실이 없는 박막기반 세라믹 연료전지에 대한 연구가 활발히 이어졌다.

문제는 작동온도를 낮추면 다양한 연료를 사용할 수 있는 세라믹 연료전지의 장점이 사라진다는 것이다.

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 이런 문제를 전해질과 접하고 있는 연료극의 최 근접부위에 연료를 보다 손쉽게 변환할 수 있는 고성능의 2차 촉매를 박막공정으로 삽입하는 방법으로 해결했다.

기존 연료극 소재인 니켈-전해질 복합체 박막층과 2차 촉매 금속 박막층을 교차로 증착해 나노구조 특성은 그대로 유지하면서 2차 촉매가 균일하게 분포될 수 있도록 박막층의 두께와 층수를 최적화한 것이다.

KIST 연구진은 저온에서 뛰어난 촉매활성을 가지는 것으로 알려진 팔라듐(Pd)과 루테늄(Ru), 구리(Cu) 등의 2차 촉매를 나노구조 연료극 내에 삽입하는 데 성공했다.

연구팀은 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 부탄 연료를 사용해 중저온 작동온도 영역인 섭씨 500∼600℃에서 새로 개발한 박막기반 세라믹 연료전지의 고성능 구동을 확인했다.

손지원 박사는 “이번 연구결과는 저온에서 작동하는 세라믹 연료전지의 다양한 연료사용 가능성을 체계적으로 심도 깊게 파헤친 것”이라며 “그간 발전용으로만 여겨진 세라믹 연료전지를 보다 더 낮은 온도에서도 휴대용 연료로 작동이 가능하도록 해 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용할 가능성을 확인했다”라고 연구의의를 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)지원으로 KIST 미래원천 과제, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업 및 기후변화대응사업으로 수행됐다.

연구결과는 환경, 화학공학 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B - Environmental’ (IF : 14.229, JCR 분야상위 : 0.962%) 2020년 4월호에 게재됐다.