친환경 수소 연료전지, 상용화 ‘성큼’

[산업일보]
기존 연료전지는 작동 온도에 따라 폴리머 기반의 저온형(200℃) 연료전지와 세라믹 기반의 고온형(800℃) 연료전지로 구분된다. 저온형 연료전지는 귀금속 촉매 사용과 고순도의 수소를 연료로 사용해야 하는 단점이 있고, 고온형 연료전지는 높은 구동온도로 인한 높은 설치 및 운영비용과 내구성 문제가 있다.

프로톤 세라믹 연료전지의 경우 중저온(400~600℃) 작동이 가능하기 때문에 이 같은 문제를 해결할 차세대 연료전지로 떠오르고 있다.프로톤이 이동하는 전해질의 특성상 단순 전력생산 및 저장 외에도 수소 분리막, 메탄탈수소방향족화(methane dehydroaromatization, MDA) 등의 다양한 분야에 활용이 기대된다.

최근 PCFC(protonic ceramic fuel cell)의 새로운 공기극 물질들이 개발됨에 따라 비약적인 전극성능의 개선이 이루어진 반면 난소결성인 전해질과 다공성 연료극의 접합체 제작에 대한 연구는 부족한 실정이다. 그 결과 대부분의 PCFC는 3㎠ 이하의 면적으로 제한됐으며, 전해질의 박막화 또한 어려워 성능손실은 전해질의 전기 저항에 의해 크게 발생했다.

연료전지 중 가장 우수한 발전효율과 경제성으로 상용화 가능성이 가장 높을것으로 예상됐던 SOFC 기술이 제품으로서의 신뢰성을 충분히 확보하지 못해 현재 상용화 진입단계에서 많은 어려움을 겪고 있다. 이로 인해 최근 들어선 기존의 SOFC 보다 낮은 작동온도에서도 높은 성능을 구현할 수 있는 프로톤 전도성 세라믹을 이용한 PCFC 기술에 전 세계적인 이목이 집중되고 있다. 그러나 지난 10여년간의 많은 연구개발 노력에도 불구하고 지금까지 보고된 대부분의 결과들은 당초 기대치에 훨씬 못미치는 수준이었고, 그나마 좋은 성능을 보고하고 있는 연구들조차 실험실 레벨의 작은 규모의 전지로부터 나온 결과라 PCFC 기술의 실제 활용 가능성에 대해선 다소 회의적인 분위기였다.

KIST 연구팀은 한양대 연구팀과의 협업을 통해 열처리 과정 중 전해질-전극 접합체 구조에서 전해질이 치밀해지는 원리를 체계적으로 규명해 고성능 박막 PCFC의 대면적화(5x5㎠)에 성공했다. 연료전지의 경제성·대면적화·고성능화를 동시 달성했다.

한국과학기술연구원(이하 ‘KIST’) 고온에너지재료연구 센터 이종호, 지호일 박사팀이 한양대학교 신동욱 교수팀과의 협업을 통해 상용화가 가능한 수준의 고성능 대면적 프로톤 세라믹 연료전지를 개발했다고 과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

연료전지는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치로, 오염물질 배출 없이 높은 발전효율을 갖는 미래 에너지 소자다. 특히, 세라믹 연료전지는 귀금속 촉매가 사용되지 않음에도 다른 연료전지에 비해 발전효율이 높고 다양한 연료사용이 가능해 전 세계적으로 주목받고 있으며, 그 중에서도 가장 가벼운 이온인 프로톤(수소 이온)을 전도하는 세라믹 전해질로 구성된 프로톤 세라믹 연료전지는 이론적으로 중저온영역에서 기존 세라믹 연료전지 전해질보다 100배 이상 높은 전기 전도도를 갖는다.

그러나, 박막 전해질-전극 접합체 제작이 매우 어렵고 고온 공정 중 열화로 인해 급격한 물성저하가 발생하기 때문에 상용화 가능성이 요원했다.

이종호, 지호일 박사팀(KIST)은 신동욱 교수팀(한양대학교)과의 협업을 통해 프로톤 세라믹 연료전지의 성능을 극대화하는 동시에 상용화가 가능한 수준의 대면적 전지를 제조할 수 있는 공정기술 개발을 추진했다.

이 과정에서 전해질-전극 접합체 구조의 열처리 과정 중 전해질이 치밀해지는 원리를 세계 최초로 체계화했고, 이를 응용해 공정 온도를 획기적으로 낮출 수 있었다.

연구진은 추후 상용화를 고려해 실제 양산공정에 쓰이는 대면적 스크린 인쇄법과 단시간 저온 열처리가 가능한 마이크로파 공정을 활용함으로써 경제성을 확보했다.

5μm(마이크로미터, 십 만분의 1cm) 두께의 전해질로 구성된 5x5㎠ 크기의 대면적 프로톤 세라믹 연료전지는 기존 결과에 비해 10배 이상의 높은 출력을 나타냈으며, 실제 연료전지 사용 환경과 유사한 측정 시스템에서 세계 최고 수준의 출력성능을 검증했기에 그간 요원하게만 느껴졌던 프로톤 세라믹 연료전지의 상용화 가능성을 보여으로써 괄목할 만한 성과로 인정받고 있다.

이종호 박사는 “태양광·풍력 등 재생에너지 발전은 기상·기후의 가변성으로 전력 손실이 발생하게 되는데, 이번 연구결과를 연료전지의 확장 분야인 ‘에너지저장’에 적용하면 재생에너지의 활용도를 높이는데 획기적인 기여를 하게 될 것”이라고 밝혔다.

한편 이 연구는 과기정통부 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.