한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이강택 기계공학과 교수팀이 마이크로파를 이용한 초고속 소결공정(가열해 결합시키는 공정)으로 고성능 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.
기존 산소 이온 전도성 고체 산화물 연료전지(SOFC)와 달리, PCFC는 양성자 전도성 세라믹 전해질의 높은 이온 전도도와 낮은 활성화 에너지 특성 탓에 600도 이하 저온에서 고효율 전력 변환 및 수소 생산이 가능한 에너지 변환 시스템이다. 수소전기차, 수소 충전소, 건물 및 선박용 발전시스템 등에 활용이 가능한 탄소중립 차세대 핵심 기술로 떠오르고 있다.
PCFC는 난소결성 바륨 기반 산화물 전해질을 사용하는데 이를 치밀화하기 위해 1500도 이상 고온에서 장시간 소결공정이 필수다. 하지만 이런 극한 공정 중에 산화물 내부에서 발생하는 양이온 확산으로 화학적 조성이 불안정해지는 치명적인 문제가 있었다.
연구팀은 해결 방법으로 전자레인지나 오븐 등에 쓰이는 마이크로파를 사용해 5분 만에 초고속 소결을 해 이론적 화학조성의 전해질을 갖는 프로토닉 세라믹 연료전지를 개발했다. 초고속 온도 상승으로 연료극이 나노 구조화돼 전기화학적 활성 영역 또한 크게 확장됨도 증명했다.
개발 PCFC는 현재 보고된 동일 소재 연료전지 중 가장 우수한 성능을 보였으며 장시간(800시간) 구동에도 매우 높은 안정성이 확인됐다.
김동연, 배경택 KAIST 기계공학과 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지인 'ACS 에너지 레터스' 6월 29일자 온라인판에 게재됐다.
이강택 교수는 “이번 연구를 통해 마이크로파를 이용한 초고속 제조 공정이 기존 공정의 난제를 해결하고 프로토닉 세라믹 연료전지 성능을 극대화할 수 있음을 실험적으로 증명했다”며 “이는 탄소중립 사회 실현을 앞당길 수 있는 고성능 차세대 에너지 변환기술 발전의 촉매 역할을 할 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업, 중견연구자지원사업 그리고 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
