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중저온 연료전지 성능 높인 `박막기술의 힘`

KIST-고려대 연구진 공동개발
전해질 박막화해 성능 두 배로 

안경애 기자 naturean@dt.co.kr | 입력: 2018-07-23 18:00
[2018년 07월 24일자 16면 기사]

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중저온 연료전지 성능 높인 `박막기술의 힘`
연구팀이 개발한 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 구조(왼쪽)와 전자현미경으로 연료전지를 들여다 본 모습. KIST 제공

국내 연구진이 300~600°C에서 작동하는 중저온 연료전지의 성능을 업그레이드하는 데 성공했다.

손지원 한국과학기술연구원(KIST) 고온에너지재료연구센터 박사팀은 심준형 고려대학교 교수팀과의 공동연구를 통해 중저온에서 작동하는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 전해질을 박막화해 연료전지 성능을 두 배 이상 높였다고 23일 밝혔다.

기존 연료전지는 작동온도에 따라 200°C 이하의 저온형과 600°C 이상의 고온형으로 구분된다. 저온형은 비싼 백금 촉매를 사용해야 하고, 고온형은 저렴한 세라믹 물질로 제작할 수 있지만 작동온도가 높아 열화에 의한 성능 저하문제가 발생한다. 300~600°C의 중저온에서는 제조단가를 낮추면서 효율과 신뢰성은 높일 수 있지만 이온 전도도가 낮아 성능이 떨어지는 게 한계였다.

PCFC는 산소 대신 가벼운 수소이온을 전도하는 세라믹 막으로 구성된 연료전지다. PCFC는 중저온에서 기존 세라믹 전해질보다 100배 이상 전도도가 높아 차세대 연료전지 재료로 주목받지만, 박막으로 만들기 어렵고 다른 세라믹 물질과의 결합력이 떨어지는 단점이 있다.

PCFC에서는 전해질이 두꺼워지면 성능이 떨어질 수 있는데 연구진이 개발한 전해질은 박막형이면서 나노미터 수준의 작은 입자들 위에 전해질을 성장시킬 수 있어서 1μm(마이크로미터) 수준까지 전해질 두께를 줄일 수 있다. 머리카락보다 얇은 전해질은 연료전지 전체저항을 획기적으로 줄여주기 때문에 기존 동종물질을 이용한 PCFC보다 출력성능이 두 배 이상 우수한 것으로 확인됐다.

손지원 박사는 "중저온 연료전지 개발은 앞으로 연료전지가 에너지·시스템 분야 전반에서 성공적으로 자리매김하기 위한 필수 요소"라면서 "이번 성과는 기존 연료전지 연구에 새로운 패러다임을 제시하는 전환점이 될 것"이라고 밝혔다.이 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어 사업과 산업통상자원부 지원을 통해 이뤄졌으며 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 최신호에 게재됐다.

안경애기자 naturean@

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