고효율 세라믹 연료전지 상용화 성큼...KIST·한양대, PCFC 상용화 핵심 기술 확보

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티스케일 기반 박막 PCFC의 미세구조 모식도 / (우) 전자현미경 이미지.
<티스케일 기반 박막 PCFC의 미세구조 모식도 / (우) 전자현미경 이미지.>

우리나라 연구진이 기존 세라믹 연료전지 단점을 보완한 차세대 연료전지 상용기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 고온에너지재료연구센터 이종호, 지호일 박사팀과 한양대 신동욱 교수팀은 상용화가 가능한 고성능 대면적 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)를 개발했다고 28일 밝혔다.

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치다. 오염물질 배출 없이 높은 발전효율을 갖는다. 이 가운데 세라믹 연료전지는 고온 환경에서 작동해 발전효율은 좋지만 설치, 운영비가 비싸다. 현재 고체산화물 연료전지(SOFC)방식이 널리 쓰이지만 문제를 해결하지 못했다.

대안으로 PCFC가 개발 중이다. PCFC는 이론적으로 기존 세라믹 연료전지 전해질보다 100배 이상 높은 전기 전도도를 가져 차세대 연료전지로 주목받는다. 귀금속 촉매를 사용하지 않으면서도 발전효율이 높고 다양한 연료를 사용하는 것도 장점이다. 그러나 박막 전해질·전극 접합체 제작이 어렵다. 고온 공정 중 열화로 인해 급격한 물성저하가 발생해 상용화 단계에 진입하지 못했다.

연구진은 PCFC를 상용화할 수 있는 대면적 전지 제조 공정기술을 확보했다. 전해질·전극 접합체 구조 열처리 과정 중 전해질이 치밀해지는 원리를 세계 최초로 시스템화했다. 이를 응용해 공정 온도를 획기적으로 낮췄다. 실제 양산공정에 쓰이는 대면적 스크린 인쇄법과 단시간 저온 열처리가 가능한 마이크로파 공정을 활용함으로써 경제성을 확보했다. 5μm(마이크로미터, 십 만분의 1cm) 두께 전해질로 구성된 5x5㎠ 크기 대면적 프로톤 세라믹 연료전지는 기존 결과에 비해 10배 이상 높은 출력을 나타냈다. 실제 연료전지 사용 환경과 유사한 측정 시스템에서 세계 최고 수준 출력을 보였다.

이종호 박사는 “태양광, 풍력 등 재생에너지 발전은 기상기후 가변성으로 전력 손실이 발생하는데, 이번 연구결과를 연료전지의 확장 분야인 '에너지저장'에 적용하면 재생에너지 활용도를 높이는데 기여할 것”이라고 말했다.

연구성과는 에너지 기술 분야 국제 학술지 '네이처 에너지' 28일자 온라인 판에 게재됐다.

최호 산업정책부기자 snoop@etnews.com