KIST(한국과학기술연구원, 원장 이병권)는 손지원 고온에너지재료연구센터 박사팀과 심준형 고려대 기계공학과 교수 공동연구팀이 화학적·기계적으로 안정적인 이트륨이 도핑된 바륨지르코네이트(이하 BZY) 전해질의 박막화를 통해 수소이온 세라믹 연료전지를 개발했다고 23일 밝혔다.  

연료전지는 연료를 전기화학적으로 직접 전기로 변환하는 친환경·고효율 발전 장치를 의미한다. 자동차부터 드론, 휴대용 전원 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 특히 수소 연료전지의 경우 전력생산 시 부산물로 순수한 물만이 배출되어 미래 청정에너지 시스템으로 각광받아 왔다.

연구진이 개발한 세라믹 연료전지는 미래형 발전소 전원으로 많은 관심을 받고 있다. 지난 수십여년간 미국과 일본 등에서는 정부의 지원을 기반으로 세라믹 연료전지 원천기술 연구를 수행해 왔다.   

기존의 세라믹 연료전지는 주로 '산소이온' 전도막을 전해질로 사용했지만 온도가 낮아질수록 전도도가 기하급수적으로 떨어져 저온에서의 사용이 어렵다는 한계점이 있었다.   

연구팀은 기존 '산소이온' 전도막의 대체 물질로 '수소이온' 전도체 세라믹을 활용해 이러한 문제점을 해결했다.

일반적으로 수소이온 세라믹은 산소이온 세라믹에 비해 전도도가 수십에서 수백 배 높다. 특히 BZY는 수소이온 세라믹 중에서 전도도가 가장 높고, 화학적 안정성도 우수하다. 다만, 다루기 힘든 물질 특성으로 인해 BZY를 이용한 고성능의 전해질로 제작하는 것이 매우 어렵다는 단점이 있었다.

연구진은 최적화된 다층 나노구조 지지체를 이용해 화학적·기계적으로 안정적인 초박막 BZY 전해질 증착에 성공했다. 실험 결과 기존 BZY 기반 연료전지에 비해 출력밀도가 약 10배에 달하는 우수한 결과를 얻었다.  

연구진은 "이번 연구를 통해 저온 세라믹 연료전지의 새로운 패러다임을 제시했다"면서 "세라믹 연료전지 사용 영역이 기존의 분산발전소를 넘어 가정용, 이동형 전원으로도 확대될 수 있을 것"이라고 말했다. 

이번 연구는 미래창조과학부 일반연구자지원사업, 글로벌프런티어 연구사업, KIST 미래원천연구사업, 교육부 BK21 플러스사업의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'지 23일자 온라인판에 게재됐다.