안정성·성능 높인 세라믹 연료전지 개발

신개념 저니켈함량 연료극(좌)과 기존 고니켈함량 연료극(우)의 산화-환원 사이클 후 미세구조 비교. 신개념 연료극은 초기 구조가 유지됐으나, 기존 연료극에서는 니켈이 크게 뭉치고 기저상이 파괴된 상태를 확인할 수 있다.(자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지소재연구단 손지원 박사팀이 KAIST 한승민 교수와 박막 기술을 이용해 이같은 연료전지 기술을 개발했다고 지난달 21일 밝혔다.
고온형 연료전지의 대표격인 세라믹 연료전지는 통상 800℃ 이상의 고온에서 작동한다. 이 때문에 저온형 연료전지에서 고가의 고활성 백금 촉매를 사용하는 것과 달리 니켈 같은 저렴한 촉매를 사용할 수 있다. 하지만 연료극의 약 40%를 구성하는 니켈이 고온의 작동조건에서 서로 만나 응집된 후 반복적인 정지-재가동으로 인한 산화와 환원 과정에 노출되면, 니켈이 팽창, 수축하여 세라믹 연료전지 전체 구조의 파괴로 이어져 여러 차례 재가동할 수 없는 치명적인 단점은 세라믹 연료전지를 대형 발전 외의 용도로는 사용하기 어렵게 했다.
연구팀은 이런 문제를 연료극의 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 않도록 니켈 함량을 기존 연료극 대비 1/20 수준인 2%까지 줄인 신개념 연료전지를 개발했다. 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.
이렇게 개발된 신개념 연료극을 연료전지에 적용하여 운전한 결과, 20회 미만의 산화-환원 사이클에도 파괴되던 기존 세라믹 연료전지보다 5배 이상 안정적인 100회를 넘는 사이클에도 전극의 파괴나 성능의 저하가 없었다. 또 니켈 함량의 감소로 우려됐던 세라믹 연료전지의 성능은 니켈 입자의 나노화로 오히려 기존 기술 대비 1.5배가량 향상돼 안정성과 성능 모두 획기적인 진전을 얻었다.
손지원 박사는 “이번 연구 결과는 세라믹 연료전지 파괴의 주요 원인인 연료극의 니켈 응집과 산화-환원에 따른 파괴를 효과적으로 억제할 수 있는 신개념 전극구조를 디자인하고 제작-평가까지 체계적으로 연구한 것”이라며 “세라믹 연료전지의 안정성과 성능을 동시에 획득하여 작동수명을 향상시키고 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용 범위를 확장할 가능성을 확인했다”고 밝혔다.