촉매량 줄이고 성능 높인 세라믹 연료전지 개발

세라믹 연료전지의 산화-환원 사이클 개념도와 기존 연료극의 열화율 비교.(자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지소재연구단 손지원 박사팀과 한국과학기술원 한승민 교수가 공동연구를 통해 촉매량은 1/20 줄이고 안정성과 고성능을 모두 확보한 세라믹 연료전지를 개발하는 데 성공했다고 지난달 25일 밝혔다.
수소연료가 주입되는 전극인 연료극의 니켈 촉매의 양과 크기를 줄여 세라믹 연료전지 파괴의 주요한 원인인 산화-환원 사이클에 따른 파괴를 억제한 신개념 기술이다. 고온형 연료전지의 대표 격인 세라믹 연료전지는 통상 800도 이상의 고온 작동이 특징으로 활성도가 높아 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지가 고가의 고활성 백금 촉매를 사용하는 것과 달리 니켈과 같은 저렴한 촉매를 사용할 수 있다.
하지만 연료극의 40%를 구성하는 니켈이 고온의 작동조건에서 서로 만나 응집된 후 반복적인 정지-재가동으로 인한 산화-환원과정에 노출되면 니켈이 팽창-수축하면서 세라믹 연료전지 전체 구조의 파괴로 이어지는 치명적인 단점이 있었다.
손지원 박사팀은 이 문제를 연료극의 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 않도록 니켈 함량을 기존 연료극 대비 1/20 수준인 2%까지 줄인 연료전지를 개발했다.
촉매 크기를 나노미터(nm) 수준으로 작게 만들어 표면적을 키워 촉매 함량이 줄어든 것을 보완하고 박막공정을 통해 크기와 함량이 아주 작은 촉매를 연료극 박막층에 고르게 분포시켜 니켈 입자가 서로 만나 응집하지 못하도록 했다.
이렇게 개발된 연료극을 연료전지에 적용한 결과 20회 미만의 산화-환원 사이클에도 파괴되던 기존 세라믹 연료전지보다 5배 이상 안정적인 100회를 넘는 사이클에도 전극의 파괴나 성능의 저하가 없었다. 특히 니켈 함량의 감소로 우려된 연료전지의 성능은 니켈 입자의 나노화로 기존 기술 대비 1.5배가량 향상됐다.
손지원 박사는 “이번 연구결과는 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 동시 획득해 작동수명을 향상시키고 다양한 이동형 연료전지로 응용범위를 확장할 가능성을 확인했다”라고 말했다.
이번 연구결과는 금속재료공학 분야 국제학술지 ‘Acta Materialia’에 게재됐다.