국내 연구진이 성능을 획기적으로 높인 새로운 방식의 연료전지 상용화 가능성을 열었다.
한국과학기술연구원(KIST) 고온에너지재료연구센터와 고려대 기계공학과 공동연구진은 미래 청정에너지 시스템으로 기대를 모으고 있는 연료전지를 도자기 만드는 원료인 세라믹으로 만들어 고성능으로 작동시키는데 성공했다고 23일 밝혔다.
연료전지는 연료와 산소로 전기를 만드는 고효율 발전장치로 자동차에서 무인기(드론), 휴대용 전원, 발전소 등 활용 가능한 범위가 무궁무진하다. 전기를 만들 때 나오는 부산물로 순수한 물만 배출돼 청정에너지 시스템으로 불린다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 작동 온도나 비용, 수명 등이 달라진다. 전해질은 연료전지 내부에서 전기를 만드는 화학반응을 일으키는데 필요한 수소이온을 이동시키는 물질이다.
최근 각광받는 전해질 소재로 세라믹이 꼽힌다. 세라믹 연료전지는 작동에 필요한 화학물질들이 비싸지 않은 데다 발전 효율이 높고 안정적이라 유망한 차세대 기술로 각광받고 있다. 그러나 세라믹 연료전지는 800도 이상의 고온에서 잘 작동하기 때문에 온도를 낮추면 성능이 크게 떨어진다. 이 점이 상용화의 가장 큰 걸림돌로 여겨져 왔다.
기존에 연료전지 전해질로 쓰여온 여러 세라믹 물질들은 원자들을 이동시키는데 많은 에너지를 소모한다. 이 때문에 작동 온도가 높을 수밖에 없다. 이에 연구진은 기존 세라믹 물질들보다 에너지 소모가 적은 새로운 세라믹 물질(BZY)을 연료전지에 사용하기로 했다. 지금까지 많은 연구자들이 BZY를 연료전지에 적용하려고 시도했으나, 얇고 가벼우면서도 치밀한 구조로 가공하기가 어려워 성능에 한계가 있었다.
연구진은 BZY 제조 과정에 처음으로 반도체의 박막 제조 공정을 적용해 이 문제를 해결했다. 연구진이 초박막 형태로 만든 BZY로 작동한 연료전지는 기존 같은 소재 연료전지에 비해 동일한 면적에서 10배의 출력을 냈다. 손지원 KIST 고온에너지재료연구센터 책임연구원은 “향후 이 기술을 활용하면 작은 연료전지로 더 많은 전기를 생산하거나 더 큰 장치를 작동시킬 수 있을 것”이라며 “소형 전원이나 대용량 발전소에서 모두 사용 가능한 기술로 발전시킬 계획”이라고 말했다.
이 연구결과는 영국 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 23일자 온라인판에 실렸다.
임소형 기자 precare@hankookilbo.com
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