니켈 함량 줄인 세라믹 연료전지…안정성·성능 둘 다 잡았다

박막 증착 기술로 니켈 촉매 나노구조화 및 기존 대비 함량 1/20 저감 성공

세라믹 연료전지의 산화-환원 사이클 개념도와 이에 따른 신개념 대 기존 연료극의 열화율 비교/사진=KIST

한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 손지원 박사, 카이스트(KAIST) 한승민 교수로 이뤄진 공동연구팀이 촉매량은 20분의 1로 줄이면서 안정성·고성능을 확보한 세라믹 연료전지를 개발했다고 21일 밝혔다.

고온형 연료전지의 대표 격인 세라믹 연료전지는 통상 800℃ 이상 고온 작동이 가능하다. 이 덕분에 고가의 백금 촉매 대신 니켈과 같은 저렴한 촉매를 쓸 수 있다.

하지만 니켈이 반복적인 산화-환원 과정을 거치면 팽창·수축해서 세라믹 연료전지 전체 구조를 파괴한다는 단점이 있다. 니켈은 연료극 부피 기준 40%를 차지한다. 자동차와 같은 수송수단의 경우 연료전지 단에서 반복적인 정지-재가동이 이뤄져야 하는데 이때 산화-환원 과정이 수차례 일어나므로 세라믹 연료전지는 대형 발전 이외 용도로는 사용하기 어렵다.

연구팀은 이 문제를 연료극의 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 않도록 니켈 함량을 기존 연료극 대비 20분의 1 수준인 2%까지 줄인 신개념 연료전지를 개발했다.

연구팀에 따르면 니켈 촉매 크기를 나노미터 수준으로 작게 만들어 표면적을 키워 촉매 함량이 줄어든 것을 보완하고 박막 공정을 통해 크기와 함량이 아주 작은 촉매를 연료극 박막층에 고르게 분포시켜 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 못하도록 했다.

신개념 低니켈함량 연료극(왼쪽)과 기존 高니켈함량 연료극(오른쪽)의 산화-환원 사이클 후 미세구조 비교. 신개념 연료극은 초기 구조가 유지되었으나, 기존 연료극에서는 니켈이 크게 뭉치고 기저상이 파괴된 상태를 확인할 수 있다./사진=KIST

이렇게 개발된 신개념 연료극을 연료전지에 적용해 운전한 결과, 20회 미만의 산화-환원 사이클에도 파괴되던 기존 세라믹 연료전지보다 5배 이상 안정적인 100회를 넘는 사이클에도 전극의 파괴나 성능의 저하가 없었다. 니켈 함량의 감소로 우려됐던 세라믹 연료전지의 성능은 니켈 입자의 나노화로 오히려 기존 기술 대비 1.5배가량 향상됐다.

다만 이번 세라믹 연료전지가 자동차 등 수송·이동용으로 활용되려면 후속연구가 필요하다. 이번 연구에서 세라믹 연료전지의 고온 조건을 500℃로 낮추는데 성공했지만 일반 차량용으로 응용하려면 이 온도 조건을 60~80℃ 수준까지 낮춰야 가능하다는 설명이다.