고온형 세라믹 연료전지에 사용되는 니켈(Ni)의 양을 20분의 1로 줄이면서 안정성은 5배 이상, 발전 성능은 1.5배 높일 수 있는 기술이 개발됐다.

24일 한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 한국과학기술원(KAIST) 한승민 교수와 공동연구로 고온형 세라믹 연료전지에서 수소 연료가 주입되는 전극인 연료극의 니켈 촉매 양과 크기를 대폭 줄여 최대 단점인 구조 불안정을 획기적으로 개선하고 성능을 높이는 데 성공했다고 밝혔다.

▲ 새로 개발된 신개념 연료극을 사용한 고온형 세라믹 연료전지는 산화-환원 사이클이 100회 진행된 후에도 열화현상이 거의 발생하지 않은 반면 니켈이 40% 사용된 기존 연료극은 20회 진행 후 급격히 열화돼 파괴된다.

수소를 연료로 한 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 세라믹 연료전지는 700℃ 이상에서 작동하는 고온형과 200℃ 이하에서 작동하는 저온형이 있다. 저온형의 연료극에는 주로 고활성 백금 촉매가, 고온형에는 니켈 같은 저렴한 촉매가 사용된다.

고온형 세라믹 연료전지의 연료극에는 니켈이 부피 기준으로 40% 정도 사용되는데, 정지-재가동이 반복돼 산화-환원 과정에 노출되면 니켈이 팽창해 세라믹 연료전지 전체 구조가 파괴되는 단점이 있다. 이 때문에 고온형 세라믹 연료전지는 재가동 횟수가 적은 대형 발전 용도 외에는 사용이 어렵다.

연구팀은 고온형 세라믹 연료전지의 연료극 제조공정에서 박막 증착 기술을 이용해 니켈 사용량을 기존의 20분의 1인 2%로 줄이는 대신 니켈 촉매 크기를 수나노미터(㎚ : 10억분의 1ｍ) 수준으로 작게 만들어 표면적을 늘리는 방법으로 니켈 함량이 줄어든 것을 보완했다.

니켈과 산화물을 혼합해 박막 증착함으로써 수나노미터 크기의 니켈 촉매가 연료극에 고르게 분포되고 고온 작동 시에도 서로 만나 응집하지 못하게 했다.

이렇게 제작한 신개념 연료극은 실험 결과 100회 이상 정지-재작동 사이클을 거친 다음에도 전극이 파괴되거나 성능이 떨어지지 않는 것으로 확인됐다. 니켈이 40% 사용된 기존 연료극이 20회 미만의 산화-환원 사이클에도 파괴돼 사용할 수 없는 것과 비교하면 안정성이 5배 이상 향상된 것이다.

니켈 사용량이 기존의 20분의 1로 줄었음에도 세라믹 연료전지의 성능은 오히려 1.5배가량 높아진 것으로 나타났다.

손지원 박사는 "이 연구 결과는 세라믹 연료전지 파괴의 주요 원인인 연료극의 니켈 응집과 산화-환원에 따른 파괴를 효과적으로 억제할 수 있는 신개념 전극구조를 디자인하고 제작-평가까지 체계적으로 연구한 것"이라며 "세라믹 연료전지의 안정성과 성능을 동시에 획득한 이 성과를 토대로 다양한 수송·이동용 연료전지로 응용 범위를 확장하는 상용화 연구를 수행할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 금속재료공학 분야 국제학술지(Acta Materialia)에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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