▲ 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 600℃ 이하의 중저온 영역에서 작동하는 고성능 박막 기반 세라믹 연료전지 기술을 개발했다. 연구팀이 개발한 중저온에서 작동하는 고성능 세라믹 연료전지, 박막 촉매 삽입기술로 부탄가스 같은 휴대용 연료를 사용하는 세라믹 연료전지의 응용범위를 크게 넗혔다.

[기계신문] 최근 휴대가 용이한 부탄연료를 사용할 수 있는 고성능 세라믹 연료전지가 개발돼 상용화 가능성을 크게 높였다. 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 600℃ 이하의 중저온 영역에서 작동하는 고성능 박막 기반 세라믹 연료전지 기술을 개발했다.

기존 연료전지는 작동온도에 따라 크게 저온형(200°C 이하)과 고온형(700°C 이상)으로 구분된다. 먼저 저온형 연료전지의 대표적인 예인 고분자전해질 연료전지의 경우, 낮은 열역학적 활성도를 보완하기 위해 값비싼 백금(Pt) 촉매를 사용해야 하고 사용 연료도 고순도의 수소로 제한된다.

반면, 고온형 연료전지의 대표격인 세라믹 연료전지에서는 고온에서 촉매활성이 높기 때문에 백금촉매가 아닌 니켈과 같은 값싼 촉매를 사용할 수 있고, 연료도 수소 이외의 LPG, LNG 등 기존 인프라의 다양한 연료 사용이 가능하다.

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

하지만 역설적으로 고온작동에 대응하기 위해 비싼 소재와 제조 기술을 사용해야 하고, 심지어 세라믹조차 열화가 빠르게 진행되므로 긴 시간 동안 운용이 어렵다는 것이 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

최근 많은 연구를 통해 세라믹 연료전지에서 박막 전해질과 나노구조 전극 등 구조적 혁신에 성공하여 작동온도를 낮추면서도 성능의 손실이 없는 박막 기반 세라믹 연료전지가 개발되어 왔다.

박막 기반 세라믹 연료전지는 기존의 고온작동 세라믹 연료전지에 비해 작동온도를 섭씨 수백도 낮춰도 유사한 수준의 성능을 나타낼 수 있는 것으로 보고되어 왔다.

하지만 작동온도를 낮추면 세라믹 연료전지의 가장 큰 장점인 순수한 수소 이외의 연료도 사용할 수 있는 장점이 없어지는 것은 큰 문제점으로 남아 있었다.

▲ 박막 SOFC에서의 부탄연료 사용 시 2차 촉매 삽입에 따른 연료전지 반응과 성능

손지원 박사 연구팀은 이런 문제를 전해질과 접하고 있는 연료극의 최근접부위에 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.

연구팀은 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 박막 기반 세라믹 연료전지의 고성능 구동을 확인했다.

▲ 섭씨 500~600도에서 삽입 촉매 별 부탄 연료작동 연료전지 성능. 특히 섭씨 500도에서는 루테늄과 구리 촉매가 사용된 경우 Ni만 사용한 경우의 약 1.5배의 성능이 얻어지며, 순수한 수소를 연료로 사용한 경우와 유사한 높은 성능이 얻어짐

손지원 박사는 “이번 연구결과는 저온에서 작동하는 세라믹 연료전지의 다양한 연료사용 가능성을 체계적으로 심도 깊게 파헤친 것”이라며 “그간 발전용으로만 여겨진 세라믹 연료전지를 낮은 온도에서도 휴대용 연료로 작동이 가능하도록 해 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구 과학기술정보통신부 지원 하에 KIST 미래원천 과제, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업 및 기후변화대응사업으로 수행되었으며, 연구결과는 환경, 화학공학 분야 국제학술지 ‘Applied Catalysis B - Environmental’ 2020년 4월호에 게재되었다.

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