국내 연구진, 세계최고성능 수소이온 세라믹 연료전지 개발

세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
고려대학교 기계공학과 심준형 교수팀과 한국과학기술연구원 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀은 화학적·기계적으로 안정한 이트륨이 도핑된 바륨지르코네이트(Y:BaZrO3, BZY) 전해질의 박막화에 성공하고 이를 통해 세계 최고 성능의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다고 23일 밝혔다.
연료전지는 연료를 직접 전기로 변환하는 발전 장치로 수소를 연료로 사용 시 부산물로 순수한 물만 배출돼 미래의 청정 에너지로 학계에서 주목하고 있다. 자동차, 드론, 휴대용 전원 및 발전소 등 사용 범위도 넓다.
특히 고체산화물 연료전지(SOFC)로 대표되는 세라믹 연료전지는 미래 발전소 전원으로 한국은 물론 미국, 일본 등지에서 높은 관심을 받고 있다. 하지만 전해질로 사용하는 산소 이온 전도막이 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 제한된다는 단점이 있었다.

이에 산소 이온 전도체 대체 물질로 수소이온 전도체 세라믹이 급부상했다. 수소이온은 산소이온보다 8배 가볍워 수소이온 세라믹은 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높은 특징이 있다. 하지만 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 높은 물질로 알려진 BZY는 조성에 맞게 합성하기 어렵고 전해질 막으로 제작이 어렵다는 한계가 있었다.
고려대-KIST 공동 연구진은 "최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용해 화학적·기계적으로 안정한 초박막 BZY 전해질 증착에 성공했다"며 "이렇게 제작된 초박막 BZY 기반 연료전지는 기존 BZY 기반 연료전지 대비 약 10배 높은 출력밀도를 보이는 획기적인 결과를 도출했다"고 설명했다.
연구진은 "이번 고성능 BZY 연료전지 개발을 통해 세라믹 연료전지의 사용 영역이 기존의 분산발전소를 넘어 가정용, 이동형 전원으로 확대가능할 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구결과는 저명한 국제 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 11.329)에 23일자로 게재됐다.
[디지털뉴스국 조성신 기자]