[월간수소경제 송해영 기자] 한국과학기술연구원(KIST) 고온에너지재료연구센터의 이종호, 지호일 박사 연구팀이 한양대학교 신동욱 교수 연구팀과의 협업을 통해 상용화가 가능한 수준의 고성능 대면적 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)를 개발했다고 지난 27일 밝혔다.

연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 발전효율이 높으면서도 오염물질을 배출하지 않아 차세대 발전설비로 주목을 모으고 있다.

특히 세라믹 연료전지는 값비싼 귀금속 촉매를 필요로 하지 않으면서도 여타 연료전지에 비해 발전효율이 높고, 다양한 연료를 사용할 수 있다. 그중에서도 가장 가벼운 이온인 프로톤(수소 이온)을 전도하는 세라믹 전해질로 구성된 프로톤 세라믹 연료전지는 이론적으로 중저온 영역에서 기존 세라믹 연료전지 전해질보다 100배 이상 높은 전기 전도도를 갖기 때문에 차세대 연료전지로 손꼽히고 있다.

그러나 박막 전해질-전극 접합체 제작이 어렵고, 고온 공정 중 열화로 인해 물성이 급격히 저하하므로 상용화 가능성이 요원했다.

이에 이종호, 지호일 박사 연구팀은 신동욱 교수 연구팀과의 협업을 통해 프로톤 세라믹 연료전지의 성능을 극대화하는 동시에 상용화 가능한 수준의 대면적 전지를 제조할 수 있는 공정기술 개발을 추진했다.

이 과정에서 전해질-전극 접합체 구조의 열처리 과정 중 전해질이 치밀해지는 원리를 세계 최초로 체계화했고, 이를 응용하여 공정 온도를 획기적으로 낮출 수 있었다.

또한 연구진은 상용화를 고려해 실제 양산 공정에 쓰이는 대면적 스크린 인쇄법과 단시간 저온 열처리가 가능한 마이크로파 공정을 활용해 경제성을 확보했다.

5µm 두께의 전해질로 구성된 5×5cm² 크기의 대면적 프로톤 세라믹 연료전지는 기존 결과에 비해 10배 이상의 높은 출력을 보였으며, 실제 연료전지 사용 환경과 유사한 측정 시스템에서도 세계 최고 수준의 출력성능을 나타냈다. 이에 따라 그간 요원하게만 느껴졌던 프로톤 세라믹 연료전지의 상용화 가능성을 보여준 것으로 평가받고 있다.

이종호 박사는 “이번 연구 결과는 전력생산 외에도 연료생산 및 저장 등 다양한 분야에 적용 가능하며, 앞으로 큰 가변성을 갖는 재생에너지의 활용도를 높이는 데에도 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 에너지 기술 분야의 국제 학술지 ‘Nature energy’ 8월 28일자 온라인 판에 게재되었다.