전기·수소 동시에 만드는 연료전지 성능을 2배로

KIST, 새로운 세라믹 전해질 합성법 개발

프로톤 세라믹 연료전지. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 수소에너지소재연구단 지호일 박사팀이 금오공과대 최시혁 교수팀과 함께 전기와 수소를 동시에 만드는 연료전지의 성능을 2배로 끌어올렸다. 세라믹 연료전지 성능 향상의 핵심은 전지 속 전해질을 만드는 방법을 달리했다는 것이 핵심이다.

28일 KIST에 따르면, 연구진은 세라믹 분말을 고온으로 가열해 고체덩어리로 뭉쳐 전해질을 만드는 과정에서 온도를 획기적으로 낮췄다. 이렇게 만든 전해질로 연료전지를 제작해 실험한 결과, 출력밀도가 기존 연료전지 대비 약 2배 향상된 950㎽/㎠를 기록했다.

지호일 박사는 "차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지의 전해질을 향상시킴으로써 전지의 특성 향상과 공정 단순화를 가능하게 했다"며, "향후 프로톤 세라믹 전지의 상용화 진입을 앞당기고 수소경제 활성화에 기여할 것"이라고 말했다.

전력 생산과 수소 생산이 동시에 가능한 고체산화물 연료전지(SOC)는 전해질, 전극 등 모든 구성요소가 세라믹과 같은 금속산화물로 만든다. 특히, 600도 이상의 고온에서 작동하기 때문에 다른 연료전지보다 전력 변환 효율이 높다. 하지만 고온을 견뎌야 하는 재료를 사용하기 때문에 생산비용이 높고, 장기간 고온으로 작동해 성능 저하가 일어나는 한계도 있다.

산소이온 대신 수소이온을 전달하는 전해질로 만든 프로톤 세라믹 전지가 차세대 연료전지로 떠오르고 있다. 프로톤 세라믹 전지의 전해질은 1500도 이상의 고온으로 세라믹 분말을 뭉쳐 만드는데 이때 재료가 휘발되거나 분리돼 전해질 성능이 떨어진다.

연구진은 전해질 제작 과정의 온도를 낮추기 위해 전해질 소재를 합성하는 새로운 공정을 개발했다. 저온 합성을 통해 두 종류의 화합물이 혼합된 분말을 전해질로 제조했을 때, 뭉쳐지는 특성이 우수한 하나의 화합물로 합성되는 과정에서 첨가제 없이도 온도가 1400도로 낮아지는 것을 확인했다.

새로운 공정으로 합성된 프로톤 세라믹 전해질은 낮은 온도에서도 치밀한 막을 형성해 전지의 전기화학적 특성을 향상시켰다.

연구진은 향후 프로톤 세라믹 전지 상용화를 위해 새로운 전해질 합성 공정을 대면적 전지 제작에 적용할 예정이다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 세라믹 전지의 전해질 합성법을 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자