기존 성능의 10배…‘수소이온 세라믹 연료전지’ 개발

높은 성능의 박막 BZY 전해질이 적용된 연료전지의 부분 모식도(좌측)와 실제 미세구조 사진(중간), 그리고 문헌상에 보고된 다른 수소이온 세라믹 연료전지들과의 성능 비교(우측)/자료=KIST

한국과학기술연구원(KIST) 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀과 고려대학교 기계공학과 심준형 교수로 이뤄진 공동연구팀이 저온에서도 작동하는 ‘수소이온 세라믹 연료전지’를 개발했다고 22일 밝혔다.

이 전지는 화학적·기계적으로 안정성을 확보한 데다 동종 물질 기반 연료전지 대비 최대 10배 향상된 발전 성능을 지녔다. 연구진은 “이번 실험 결과가 세라믹 연료전지의 작동온도를 효율적으로 낮추고 상용화를 앞당기는 데 기여할 것”이라고 전망했다.


세라믹 연료전지는 물질 내에서 이온이 움직일 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지를 말한다.

‘수소이온 세라믹 연료전지'의 핵심 기술은 이트륨이 도핑된 바륨지르코네이트(BZY) 전해질을 박막화한 것. 이트륨은 화학적으로 안정되면서도 열을 잘 전달하는 성질이 있어 전기차 배터리 합금 등의 제품을 생산할 때 쓰이는 희토류 원소이다. BZY는 바륨과 지르코늄 기반의 산화물 물질이다.

세라믹 연료전지는 내열성이 크고 연소의 효율이 높으며, 저가 촉매 등을 사용해 미래 청정에너지시스템으로 관심을 받고 있다. 그러나 높은 작동온도는 세라믹 연료전지의 안정성을 떨어뜨리고, 상용화를 어렵게 만드는 주된 요인이다. 이는 기존 세라믹 연료전지가 주로 ‘산소이온’ 전도막을 전해질로 사용하기 때문. 산소이온 전도막은 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 제한적이다.

(왼쪽부터)손지원 박사, 심준형 교수/사진=KIST

이에 연구팀은 기존 산소이온 전도막의 대체 물질로 ‘수소이온’ 전도체 세라믹에 주목했다. 수소이온은 산소이온보다 작고 가볍다. 일반적으로 수소이온 세라믹은 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높다.

특히 BZY는 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 높은 대표적인 물질로 뛰어난 화학적 안정성을 가지고 있다. 하지만 다루기 힘든 물질적 성질로 BZY를 이용해 조성과 구조가 적합한 고성능의 전해질로 제작하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다.

연구진은 이 문제를 최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용해 BZY 전해질을 증착하는 방식으로 극복했다. 이렇게 제작된 초박막 BZY 기반 연료전지는 기존 BZY 기반 연료전지에 비해 출력밀도가 약 10배에 달하는 등 획기적인 성능을 보였다.

연구진은 “이번 고성능 BZY 연료전지 개발로 세라믹 연료전지의 사용 영역이 기존의 분산발전소를 뛰어넘어 가정용, 이동형 전원으로도 확대될 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 23일자 온라인판에 게재됐다.