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기존 연료전지에 비해 출력밀도가 10배 높은 수소이온 세라믹 연료전지

수소에너지를 사용하는 연료전지의 경우, 순수한 물만 배출할 뿐 오염물질을 전혀 배출하지 않고 높은 효율로 발전 가능하다.

2017-04-18

친환경적이고, 무한한 사용이 가능한 에너지원을 찾는 것은 인류의 오랜 염원이자 숙명이라고 할 수 있을 것이다.
태양광, 풍력 등 자연환경에 의존하는 재생 에너지는 설치 장소에 제약이 있으며, 그마저도 제한된 시간에만 발전이 가능하다는 단점이 있다.
이를 극복하기 위한 방법 중 가장 가능성 높은 것이 바로 신에너지 기술인 연료전지 기술이다.
수소에너지를 사용하는 연료전지의 경우, 순수한 물만 배출할 뿐 오염물질을 전혀 배출하지 않고 높은 효율로 발전 가능하다.

여러 연료전지 기술 중에서도, 세라믹 연료전지는 소재 안정성 및 높은 효율, 저가 촉매 사용 등과 같은 장점들로 인해 차세대 유망 연료전지 시스템으로 이목이 집중되고 있다. 그러나 높은 작동온도는 세라믹 연료전지의 장기안정성을 떨어뜨리고, 상용화를 어렵게 만드는 주된 요인으로 인식되고 있다.

 

자동차, 드론, 발전소 등 활용 범위 무궁무진

최근 국내 연구진이 높은 수준의 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다.
KIST(한국과학기술연구원) 고온에너지재료연구센터 손지원 박사팀과 고려대학교 기계공학과 심준형 교수 공동연구팀은 화학적, 기계적으로 안정적인 이트륨[원자번호 39번의 희토류(Rare earth) 원소]이 도핑된 바륨지르코네이트(Y:BaZrO3, BZY) 전해질의 박막화에 성공해 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다. 여기서 바륨지르코네이트란, 원자번호 56번의 바륨과 40번의 지르코늄 기반의 산화물 물질을 말한다.
BZY는 널리 알려진 수소이온 전도성 세라믹 물질 중 하나로, 높은 이온전도도와 연료전지 작동 조건에서 탁월한 내화학성을 지니고 있다. 그러나 다루기 힘든 물질적 성질로 인해, 높은 성능의 연료전지 전해질로 제작하기가 매우 어렵다는 단점도 갖고 있다.

연료전지의 전해질은 가스를 투과시키지 않고, 이온화된 원자들만 이동시킨다. 세라믹 연료전지의 경우, 전해질 물질 내 원자들의 이동에 많은 에너지가 요구되므로 대부분 높은 작동 온도가 필요하다.
수소이온 전도성 세라믹은 기존의 세라믹 전해질 물질들에 비해 저온에서도 높은 성능을 발휘하기 때문에, 저온작동형 세라믹 연료전지의 전해질 물질로 많은 관심을 받고 있다.

연료전지는 연료와 산소를 이용해 전기를 만드는 전력 생산 시스템의 일종이라고 할 수 있으며, 기본적으로 연료를 주입하는 연료극과 공기를 주입하는 공기극, 그 사이의 가스 불투과성 전해질로 이루어져 있다.
또한 연료를 전기화학적으로 직접 전기로 변환하는 친환경-고효율 발전 장치를 일컫기도 한다.
기계적 구동체계를 거치지 않기 때문에, 기존의 화력발전과 비교했을 때 더 높은 효율을 얻을 수도 있다.
특히, 수소 연료전지의 경우 전력생산 시 부산물로 순수한 물만 배출된다는 점에서 미래 청정에너지 시스템으로 각광받고 있다.
이러한 연료전지는 자동차를 비롯해 드론, 휴대용 전원 및 발전소에 이르기까지 그 사용 범위가 무궁무진하다고 할 수 있다.

 

▲ 그림 1. 고성능 박막 BZY 전해질이 적용된 연료전지의 부분 모식도(좌측)와 실제 미세구조 사진(우측)

 

초박막 BZY 전해질 증착에 성공

이번 연구결과는 연료전지 중에서도 세라믹 연료전지에 대한 것으로, 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)로 대표되는 세라믹 연료전지[물질 내에서 이온(일반적으로는 산소이온)이 움직일 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지]는 미래형 발전소 전원으로 많은 관심을 받고 있다.
이미 미국과 일본 등에서는 정부의 전폭적인 지원 아래 지난 수십 년간 세라믹 연료전지 원천기술 연구가 진행되어 왔다.
관건은 전해질인데 기존의 세라믹 연료전지는 주로 ‘산소이온’ 전도막을 전해질로 사용한다.
그러나 산소이온 전도막을 이용할 경우, 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 제한적이다.
이에 연구팀은 기존 산소이온 전도막의 대체 물질로 수소이온 전도체 세라믹(수소이온을 전도하는 세라믹 물질)에 주목했다.

수소이온은 산소이온보다 작고 가벼워, 일반적으로 수소이온 세라믹 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높다. 특히 BZY는 수소이온 세라믹 중 전도도가 가장 높은 대표적인 물질로, 화학적 안정성이 뛰어나다. 하지만 다루기 힘든 물질적 성질 때문에 조성과 구조가 적합한 고성능 전해질로 제작하기 어렵다.
이와 관련, KIST-고려대 공동 연구진은 최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용해 화학적-기계적으로 안정적인 초박막 BZY 전해질 증착에 성공했다.
이렇게 제작된 초박막 BZY 기반 연료전지는 기존의 BZY 기반 연료전지에 비해 출력밀도가 약 10배에 달하는 등 획기적인 성능을 보였다.

연구진은 “고성능 BZY 연료전지 개발에 성공함에 따라 저온 세라믹 연료전지의 새로운 패러다임을 제시할 수 있었다”며, “이를 통해 세라믹 연료전지의 사용 영역이 기존의 분산발전소를 뛰어넘어 가정용, 이동형 전원으로도 확대될 수 있을 것”이라고 설명했다.
이 연구는 미래창조과학부 일반연구자 지원사업, 글로벌프런티어 연구사업, KIST 미래원천연구사업 및 교육부의 BK21 플러스사업의 지원으로 수행됐다.

 

출처 : 헬로티 [www.hellot.net]