요약
부탄가스로도 작동하는 고성능 세라믹 연료전지가 개발됐습니다. 휴대가 용이한 부탄연료를 사용할 수 있는 고성능 세라믹 연료전지를 개발해 상용화 가능성을 크게 높였는데요. 고온의 작동조건 탓에 대형 발전용으로만 활용이 가능할 것으로 여겨져 온 세라믹 연료전지의 응용 범위가 전기차·로봇·드론 등 소형 이동수단으로도 확대될 것으로 예상됩니다.
한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 600°C 이하의 중저온 영역에서 작동하는 고성능 박막 기반 세라믹 연료전지 기술을 개발했습니다. 해당 연구는 <Applied Catalysis B - Environmental>에 게재됐습니다.
- 세라믹 연료전지
세라믹 물질(대표적으로 금속산화물)을 기반으로 제작된 연료전지로서, 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)가 가장 일반적입니다. SOFC의 경우, 보통 800°C 이상의 고온에서 작동하며, 높은 작동온도로 촉매의 활성이 높아 고순도의 수소 이외에 LPG, LNG, 프로판, 부탄 같은 다양한 연료의 사용이 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만 고온작동에서 물질 열화에 의한 장기안정성 저하가 주요 한계점으로 지적되고 있습니다.
- 박막 기반 세라믹 연료전지
통상적으로 도자기를 굽듯이 원료 분말을 성형하고 높은 온도에서 구워서 만들어내는 발전용 세라믹 연료전지와 달리, 반도체 공정에서 주로 사용되는 박막 공정을 사용하여 만들어지는 세라믹 연료전지를 말합니다. 세라믹 연료전지의 작동온도를 낮추면서도 성능의 손실이 없도록 하기 위해, 세라믹 연료전지의 전기적 저항을 전해질을 얇게 만들어 낮추고, 촉매의 반응점 밀도를 높이기 위해 촉매를 나노구조로 만드는데 박막공정이 사용됩니다.
작동 온도 낮추면 성능 떨어지는 세라믹 연료전지
고온형 연료전지의 대표격인 세라믹 연료전지는 통상 800℃ 이상의 고온작동이 특징입니다. 이 덕분에 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지 등이 낮은 열역학적 활성도를 보완하기 위해 고가의 백금 촉매를 사용하는 것과 달리, 니켈과 같은 값싼 촉매를 사용할 수 있습니다. 또한, 고순도 수소 외에 LPG, LNG 등 다양한 연료를 쓸 수 있다는 게 큰 장점입니다. 하지만 역설적으로 고온작동에는 비싼 소재와 제조 기술이 필요합니다. 고온작동의 특성상 시동-정지-재가동에 시간이 오래 걸리는 점도 대형 발전용 외의 응용 가능성을 낮추는 요인이 됐습니다.
이에 따라 전 세계적으로 작동온도를 낮추면서도 성능의 손실이 없는 박막기반 세라믹 연료전지에 대한 연구가 활발히 이어졌습니다. 문제는 작동 온도를 낮추면 다양한 연료를 사용할 수 있는 세라믹 연료전지의 장점이 사라진다는 겁니다. 세라믹 연료전지의 니켈(Ni) 촉매는 메탄, 프로판, 부탄 등 일반적인 탄화수소계 연료를 낮은 온도에서 사용 시 연료를 변환한 후 생성되는 탄소가 표면에 쌓이면서 촉매 성능이 기하급수적으로 떨어집니다.
저온에서도 작동하는 세라믹 연료전지
손지원 박사팀은 이런 문제를 전해질과 접하고 있는 연료극의 최근접부위에 연료를 보다 손쉽게 변환할 수 있는 고성능의 2차 촉매를 박막공정으로 삽입하는 방법으로 해결했습니다. 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 겁니다.
KIST 연구진은 저온에서 뛰어난 촉매활성을 가지는 것으로 알려진 팔라듐(Pd)과 루테늄(Ru), 구리(Cu) 등의 2차 촉매를 나노구조 연료극 내에 삽입하는 데 성공했습니다. 연구팀은 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 부탄 연료를 사용해 중저온 작동온도 영역인 섭씨 500~600℃에서 새로 개발한 박막기반 세라믹 연료전지의 고성능 구동을 확인했습니다.
손지원 박사는 "이번 연구결과는 저온에서 작동하는 세라믹 연료전지의 다양한 연료사용 가능성을 체계적으로 심도 깊게 파헤친 것"이라며 "그간 발전용으로만 여겨진 세라믹 연료전지를 보다 더 낮은 온도에서도 휴대용 연료로 작동이 가능하도록 해 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용할 가능성을 확인했다"고 연구의의를 설명했습니다.
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