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심준형(1기) 장학생,  전해질 박막화 통해 차세대 연료전지 성능 획기적 개선

한국과학기술연구원(KIST)-고려대 공동 연구진이 개발한 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의
모식도(왼쪽)와 현미경 확대 사진. 연료극 지지체가 있어 프로톤 세라믹 전해질이 안정적인
박막 형태로 존재한다. 두께가 얇은 만큼 저항이 적고 전지의 성능이 향상되는 결과로
이어진다. [제공: KIST·고려대]

국내 연구진이 300~600°C에서 작동하는 세계 최고 성능의 중저온 연료전지를 개발하는 데
성공했다. 발전소에 국한됐던 세라믹 연료전지의 활용 범위를 가정용과 이동형 전원 등으로
확대할 수 있을 것으로 전망된다.

(왼쪽부터) 심준형(연구책임자(고려대), 공동교신저자),
손지원(연구책임자/KIST), 공동교신저자), 배기호 (고려대/제1저자). [제공: 고려대]

손지원 한국과학기술연구원(KIST) 고온에너지재료연구센터 책임연구원 팀은
심준형 고려대 기계공학과 교수팀과 공동으로 섭씨 300~600도에서 구동하는 중저온 연료전지인
‘프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)’의 성능을 기존 대비 2배 높이는 데 성공했다고
2018년 7월 23일 밝혔다.

중저온 연료전지는 구동 온도가 200도 이하인 저온형 연료전지나 600도 이상인 고온형
연료전지에 비해 제조단가는 물론 효율이나 신뢰도 측면에서도 더 우수한 것으로 알려졌지만,
이온전도도는 상대적으로 떨어졌다.

특히 중저온 연료전지 전해질로 쓰이는 프로톤 세라믹의 경우 고온형 연료전지의 세라믹
전해질보다 전도도가 100배 이상 높지만, 박막 제작이 어렵고 다른 세라믹 물질과의 결합력이
떨어진다는 단점이 있었다. 상대적으로 전해질 저항이 큰 영향을 끼치는 세라믹 연료전지의
경우, 전해질 두께가 너무 두꺼우면 저항이 커져 연료전지 전체 성능이 떨어질 수 있다.

연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 전해질이 있는 연료극을 안정적으로 지지할 수 있는
다층 구조의 PCFC 구조체를 개발했다. 이를 통해 프로톤 세라믹을 안정적인 박막 형태로
만드는 데 성공했다. 손 연구원은 “프로톤 세라믹의 가장 큰 걸림돌이었던 높은 결정립계 저항을
획기적으로 줄여 PCFC의 성능을 2배 향상시켰다”고 설명했다.

이번 연구결과와 문헌상에 앞서 보고된 PCFC 최고출력밀도와의 온도별 비교. [제공: 고려대]

연구진이 만든 PCFC 구조체는 전해질을 ㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 단위의 작은
입자들 위에서 성장시켜 결과적으로 전해질의 두께를 1㎛(마이크로미터·1㎛는 100만 분의 1m)
수준까지 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 심 교수는 “이번 연구에서 제안한 PCFC 구조체는
다른 물질에도 적용할 수 있다. 향후 새로운 물질을 활용한 PCFC의 성능도 쉽게 높일 수
있을 것”이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스 2018년 7월 17일자에 게재됐다.

심준형 장학생 논문 보기 : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/aenm.201801315

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