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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