성균관대 연구팀이 수소 에너지 활용 효율을 높일 수 있는 차세대 세라믹 연료전지 기술을 개발했다.

성균관대는 기계공학과 이원영 교수 연구팀이 전지 내부 핵심 부품이 만나는 경계면을 정밀하게 설계해 세계 최고 수준의 성능과 내구성을 동시에 확보한 차세대 세라믹 연료전지를 개발했다고 6일 밝혔다.

연구팀이 주목한 장치는 ‘프로톤 세라믹 연료전지’다. 이 장치는 수소를 이용해 전기를 생산하거나 반대로 전기를 이용해 수소를 생산할 수 있는 에너지 변환 장치다. 기존 연료전지는 매우 높은 온도에서 작동해야 하는 한계가 있었지만, 이 전지는 400~600℃의 비교적 낮은 온도에서도 안정적으로 작동한다.

다만 전지의 핵심 부품인 전극과 전해질이 만나는 경계면에서 전하 이동을 방해하는 저항이 발생해 성능 향상에 제약이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘계면 공학’ 기술을 적용했다. 전극 구조를 여러 층으로 쌓는 다층 구조 방식을 도입하고 경계면에 미세 입자를 균일하게 배치해 전하 이동 경로를 넓혔다. 그 결과 전기 흐름을 방해하는 저항을 크게 줄였다.

개발된 전지는 500℃ 조건에서 출력 밀도 1.04W/㎠를 기록해 세계적으로 보고된 유사 전지 가운데 최고 수준의 성능을 보였다. 또 급격한 온도 변화와 장시간 작동 환경에서도 성능 저하가 거의 없는 높은 내구성을 확인했다.

이번 연구는 기존 소재와 비교적 단순한 공정을 활용해 높은 성능을 구현했다는 점에서도 의미가 있다. 새로운 고가 소재나 복잡한 제조 공정이 필요하지 않아 상용화 가능성이 높다는 평가다.

이원영 교수는 “전극과 전해질이 만나는 계면은 전지 성능을 좌우하는 핵심 요소지만 이를 정밀하게 설계하기 어려웠다”며 “계면 구조를 정량적으로 분석하고 설계할 수 있는 틀을 제시했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 게재됐다. 해당 논문은 학술지 표지 논문으로도 선정됐다.