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우리 연구단 과제를 수행하고 있는 한국과학기술연구원 손지원박사 연구팀이 전해질 박막화를 안정적으로 제작할 수 있는 '멀티스케일 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC) 구조체를 개발했습니다. 자세한 내용은 아래와 같습니다.
KIST-고려대 연구진 "전해질 박막화 성공…획기적 성능 향상"
국내 연구진이 차세대 연료전지 소재로 주목받는 프로톤 세라믹의 전해질 박막화에 성공, 중저온 연료전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기틀을 마련했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 23일 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀이 고려대 심준형 교수팀과 함께 중저온에서 작동하는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 성능 극대화 방안을 연구, 세라믹 전해질을 효과적, 안정적으로 박막화 하는 기술을 개발해 중저온 연료전지 성능을 획기적으로 높이는 데 성공했다고 밝혔다.
박막 프로톤 세라믹 연료전지 설명 그림
멀티스케일 기반 박막 PCFC의 미세구조 모식도(왼쪽)와 전자현미경 이미지 [한국과학기술연구원 제공]
기존 연료전지는 작동온도에 따라 크게 200℃ 이하의 저온형과 600℃ 이상의 고온형으로 구분된다. 저온형 연료전지는 값비싼 백금 촉매를 사용해야 하고, 고온형은 저렴한 세라믹 물질로 제작할 수 있지만 높은 작동온도로 인한 열화로 성능이 저하되는 문제가 있다.
이 때문에 300~600℃ 중저온에서 작동하는 세라믹 연료전지가 대안으로 기대를 모은다. 특히 PCFC는 높은 성능을 질 수 있을 것으로 전망됐으나 현재 보고되는 PCFC는 성능이 기존 연료전지보다 현저히 낮아 실용화 가능성에 회의적 전망이 많았다.
PCFC는 산소 대신 가벼운 수소 이온을 전도하는 세라믹 막으로 구성된 연료전지다. PCFC는 중저온 영역에서 기존 세라믹 전해질보다 100배 이상 높은 전도도를 보여 차세대 연료전지 재료로 주목받고 있지만, 박막으로 만들기 어렵고 다른 세라믹 물질과 결합력이 떨어지는 단점이 있다.
연구진은 안정적인 전해질 박막화를 위해 멀티스케일(multi-scale) 프로톤 세라믹 연료전지 구조체를 개발, 기존 프로톤 세라믹 연료전지와 비교해 성능을 2배 이상 높이는 데 성공했다.
PCFC에서는 전해질의 저항이 성능에 큰 영향을 끼치는데 전해질 두께 증가가 연료전지 전체 성능 저하로 이어질 수 있다. 하지만 연구진이 개발한 전해질은 멀티스케일 구조로 나노미터 수준의 작은 입자들 위에서 성장시킬 수 있어 1㎛(100만분의 1ｍ)까지 전해질 두께를 줄일 수 있다.
연구진은 머리카락보다 얇은 전해질이 연료전지 전체 저항을 크게 줄여 기존 동종 물질 PCFC들보다 두배 이상 높은 출력 성능을 얻을 수 있었다고 설명했다.
손지원 박사는 "중저온 연료전지 개발은 향후 연료전지가 에너지·시스템 분야 전반에서 성공적으로 자리매김하기 위한 필수적 요소"라며 "이 연구결과는 기존 연료전지 연구에 새 패러다임을 제시하는 중요한 전환점이 될 것"이라고 말했다.
이 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 게재됐다.
KIST 손지원 박사(왼쪽)와 고려대 심준형 교수[한국과학기술연구원 제공]
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