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니켈 줄인 세라믹 연료전지, 안정성도 UP 성능도 UP

박막기술 적용해 연료극 부피 줄이고
니켈 촉매를 20분의 1만 사용하고도
기존 전지 성능보다 1.5배 이상 향상
가동-정지 100회 반복해도 이상없어
세라믹 연료전지의 가동-정지 사이클 개념도와 이에 따른 신개념 대 기존 연료극의 열화율 비교. KIST 제공
세라믹 연료전지의 가동-정지 사이클 개념도와 이에 따른 신개념 대 기존 연료극의 열화율 비교. KIST 제공
[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 세라믹 연료전지에 들어가는 촉매의 양을 20분의 1로 줄이면서도 안전성과 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 통해 대형 발전용으로만 활용이 가능했던 세라믹 연료전지의 이용 범위가 확대될 수 있을 것으로 연구진은 전망했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 한국과학기술원(KAIST) 한승민 교수와 공동연구를 통해 세라믹 연료전지의 파괴를 억제하는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

세라믹 연료전지는 수소연료가 주입되는 연료극과 전해질, 공기와 접촉하는 공기극으로 구성돼 있다. 연구진은 얇은 막을 입히는 기술을 이용해 연료극에 들어가는 니켈 촉매양을 대폭 줄였다. 또 연구진은 가동과 정지과정에서 니켈촉매가 수축과 팽창를 반복해 파괴되는 단점을 극복해 100회이상 가동·정지를 반복해도 성능이 유지됐다.

손지원 박사는 "이번 기술개발로 세라믹 연료전지의 안정성과 성능을 동시에 획득해 작동수명을 향상시키고 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용 범위를 확장할 가능성을 확인했다"고 말했다.

신개념 저 니켈함량 연료극(왼쪽)과 기존 고 니켈함량 연료극의 가동-정지 사이클 후 미세구조 비교. 신개념 연료극은 초기 구조가 유지됐으나, 기존 연료극에서는 니켈이 크게 뭉치고 파괴됐다. KIST 제공
신개념 저 니켈함량 연료극(왼쪽)과 기존 고 니켈함량 연료극의 가동-정지 사이클 후 미세구조 비교. 신개념 연료극은 초기 구조가 유지됐으나, 기존 연료극에서는 니켈이 크게 뭉치고 파괴됐다. KIST 제공
고온형 연료전지의 대표 격인 세라믹 연료전지는 통상 800℃ 이상의 고온 작동이 특징이다. 연구진은 연료극의 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 않도록 니켈 함량을 기존 연료극 대비 20분의 1 수준인 2%까지 줄였다. 니켈 촉매 크기를 나노미터 수준으로 작게 만들어 표면적을 키워 촉매 함량이 줄어든 것을 보완했다. 또 얇은 막을 입히는 공정으로 연료극에 니켈 입자를 고르게 분포시켜 서로 만나 뭉치지 못하게 만들었다.

이렇게 개발된 신개념 연료극을 연료전지에 적용한 결과, 20회 미만의 가동-정지에도 파괴되던 기존 것보다 100회를 넘는 사이클에도 성능을 유지했다.
또한 니켈 함량 줄었음에도 불구하고 세라믹 연료전지의 성능은 기존 기술 대비 1.5배가량 향상됐다.

손지원 박사는 "이번 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"이라고 설명했다.

이번 연구결과는 금속재료공학 분야 국제학술지 '악타 머터리얼리아(Acta Materialia)'에 게재됐다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자