한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 손지원 KIST 고온에너지재료연구센터 박사팀이 심준형 고려대학교 기계공학과 교수팀과 공동으로 세계 최고 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다고 23일 밝혔다.
공동연구팀은 기존 전도막인 ‘산소이온’ 대체물질로 ‘수소이온’에 주목하고 이트륨이 도핑된 바륨지르코네이트(BZY) 전해질 박막화에 성공했다.
대표적인 고온형연료전지인 고체산화물연료전지는 세라믹을 사용하는 기술로 소재 안정성과 높은 효율, 저가 촉매 등의 장점이 많아 차세대 유망 연료전지기술로 꼽힌다. 그러나 높은 작동온도로 장기 안정성이 떨어져 상용화를 어렵게 하는 단점을 지녔다. 이는 ‘산소이온’ 전도막을 전해질로 사용하기 때문인데 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어진다.
연구팀은 대체물질로 ‘수소이온’ 전도막에 주목했다. 수소이온은 산소이온보다 작고 가벼워 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높다. 특히 BYZ는 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 뛰어나다. 그러나 다루기 힘든 물질적 성질로 인해 고성능의 전해질 제작이 어려웠다.
연구팀은 최적화된 다층 나노구조 지자체를 이용해 화학적, 기계적으로 안정된 초박막 BZY 전해질 증착에 성공해 높은 성능의 저온작동형 세라믹연료전지를 제작할 수 있었다.
손지원 박사는 “고성능 BZY 연료전지 개발로 저온 세라믹연료전지의 새로운 패러다임을 이끌 것으로 본다”라며 “이를 통해 세라믹연료전지의 사용영역이 기존 분산발전용에서 가정용, 이동형 전원으로 확대될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 저명한 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 23일자 온라인에 게재됐다.