한국과학기술연구원(KIST)은 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀과 고려대학교 기계공학과 심준형 교수 공동연구팀은 화학적, 기계적으로 안정적인 이트륨이 도핑된 바륨지르코네이트(BZY) 전해질의 박막화에 성공해 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다고 23일 밝혔다.

연료전지는 연료를 전기화학적으로 직접 전기로 변환하는 친환경-고효율 발전 장치를 일컫는다. 수소 연료전지의 경우 전력생산 시 부산물로 순수한 물만이 배출돼 미래 청정에너지 시스템으로 각광받고 있다. 또 연료전지는 자동차에서 드론, 휴대용 전원 및 발전소까지 그 사용 범위가 무궁무진하다.

공동 연구팀의 연구결과는 연료전지 중에서도 세라믹 연료전지에 대한 것으로, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)로 대표되는 세라믹 연료전지는 미래형 발전소 전원으로 많은 관심을 받고 있다. 이미 미국과 일본 등에서는 정부의 전폭적인 지원 아래 지난 수십 년 간 세라믹 연료전지 원천기술 연구가 진행돼왔다.

관건은 전해질인데 기존의 세라믹 연료전지는 주로 `산소이온` 전도막을 전해질로 사용한다. 그러나 `산소이온` 전도막을 이용할 경우 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 제한적이다.

이에 연구팀은 기존 `산소이온` 전도막의 대체 물질로 `수소이온` 전도체 세라믹에 주목했다. 수소이온은 산소이온보다 무척 작고 가벼워, 일반적으로 수소이온 세라믹은 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높다. 특히 BZY는 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 높은 대표적인 물질로서, 뛰어난 화학적 안정성을 가지고 있다.

하지만 다루기 힘든 물질적 성질로 인하여 BZY를 이용해 조성과 구조가 적합한 고성능의 전해질로 제작하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있다.

KIST-고려대 공동 연구진은 최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용하여 화학적-기계적으로 안정적인 초박막 BZY 전해질 증착에 성공했다. 이렇게 제작된 초박막 BZY 기반 연료전지는 기존 BZY 기반 연료전지에 비해 출력밀도가 약 10배에 달하는 등 획기적인 성능을 보였다.

연구진은 "이번 고성능 BZY 연료전지 개발의 성공은 저온 세라믹 연료전지의 새로운 패러다임을 제시했으며 이를 통하여 세라믹 연료전지의 사용 영역이 기존의 분산발전소를 뛰어넘어 가정용, 이동형 전원으로도 확대될 수 있을 것"이라고 말했다.

김달호 기자

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