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부탄가스로도 작동 '고성능 세라믹 연료전지' 개발

KIST, 박막 촉매 삽입 기술로 섭씨 600도 이하 부탄연료 고성능 획득
부탄연료로 작동하는 고성능 세라믹 연료전지를 국내 연구진이 개발했다. 고온에서만 작동해  대형발전용으로만 활용이 가능할 것으로 여겨져온 세라믹 연료전지 응용범위가 전기차·로봇·드론 등 소형 이동수단으로 확대될 것으로 예상된다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 직무대행 윤석진)는 손지원 에너지소재연구단 박사팀이 600°C 이하의 중저온 영역에서 작동하는 고성능 박막 기반 세라믹 연료전지 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 

고온형 연료전지의 대표격인 세라믹 연료전지는 통상 800℃ 이상의 고온작동이 특징이다. 고온에서 촉매활성이 높아 니켈과 같은 값싼촉매를 사용할 수 있다. LPG, LNG 등 다양한 연료를 쓸 수 있다는 게 큰 장점이다. 

하지만 고온 작동을 위한 비싼 소재와 제조기술이 필요하고, 긴 시간 운용이 어렵다는 단점이 있었다. 낮은 온도에서 사용하면 연료를 변환한 후 생성되는 탄소가 표면에 쌓여 촉매성능이 기하급수적으로 떨어졌다.

손 박사팀은 이 문제를 고성능의 2차 촉매를 박막공정으로 삽입해 해결했다. 박막공정 삽입은 전해질과 접하고 있는 전료극의 최 근접부위에 연료를 보다 손쉽게 변환할 수 있게했다.

연구 관계자는 "기존 연료극 소재인 니켈-전해질 복합체 박막층과 2차 촉매 금속 박막층을 교차로 증착해 나노구조 특성은 그대로 유지하면서 2차 촉매가 균일하게 분포될 수 있도록 박막층의 두께와 층수를 최적화한 것"이라고 설명했다.

특히 연구진은 저온에서 뛰어난 촉매활성을 갖는 것으로 알려진 팔라듐(Pd)과 루테늄(Ru), 구리(Cu) 등의 2차 촉매를 나노구조 연료극 내에 삽입하는 데 성공했다. 연구팀은 시중에서 손쉽게 구할 수 있는 부탄 연료를 사용해 중저온 작동온도 영역인 섭씨 500~600℃에서 새로 개발한 박막기반 세라믹 연료전지의 고성능 구동을 확인했다. 

손지원 박사는 "이번 연구결과는 저온에서 작동하는 세라믹 연료전지의 다양한 연료사용 가능성을 체계적으로 심도 깊게 파헤친 것"이라며 "그간 발전용으로만 여겨진 세라믹 연료전지를 보다 더 낮은 온도에서도 휴대용 연료로 작동이 가능하도록 해 다양한 수송 및 이동용 연료전지로 응용할 가능성을 확인했다"고 연구의의를 설명했다. 

연구결과는 'Applied Catalysis B - Environmental' 2020년 4월호에 게재됐다.

 
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