[이달의 과학기술인상] 연료전지 출력 10배↑..고효율 재생에너지 발전 길 터
전기전도율 100배 높은 PCFC
저온 열처리·대면적 기술 개발
제조공정 과정서 경제성도 확보
상용화 땐 기존 LNG 효율 2배
수소차·에너지저장에도 활용 가능
연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로 발전효율이 높은 친환경에너지 기술로 꼽힌다. 발전소의 경우 액화천연가스(LNG) 연료전지발전소를 예로 들 수 있다. 연료전지는 요즘 지구온난화에 (초)미세먼지까지 ‘엎친 데 덮친 격’으로 지구와 인류가 몸살을 앓는 상황에서 효과적인 에너지원으로 꼽힌다. 태양광·풍력 등 재생에너지의 잉여전력을 수소 등 화학에너지 형태로 고용량으로 저장하는 기술로도 주목받고 있다.
세라믹연료전지는 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 다른 유형의 연료전지보다 발전효율이 뛰어나며 수소 이외에 LNG 등 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 특히 프로톤세라믹연료전지는 수소이온을 전달하는 세라믹 전해질로 구성돼 기존 세라믹 연료전지의 전해질보다 전기전도율이 이론적으로 100배 이상 높다. 연료전지 중 가장 높은 성능을 낼 수 있는 차세대 연료전지다.
하지만 소재의 물성이 기존 세라믹 연료전지보다 복잡하고 까다로워 박막 전해질-전극 접합체 제작이 매우 어렵고 고온 공정 중 급격하게 성능이 저하되는 문제로 상용화 가능성이 낮다는 평가를 받았다. 이런 상황에서 그동안 불가능하게 여겨졌던 PCFC의 상용화 가능성을 보여준 것이 바로 이 박사팀이다.
연구팀은 PCFC의 전해질-전극 접합체 구조의 열처리 과정 중 전해질이 치밀해지는 원리를 세계 최초로 확립하고 공정 온도를 획기적으로 낮추는 데 성공했다. 저온 동시 열처리 기술을 적용해 전해질의 물성이 열화되지 않고 우수한 전해질-연료극 접합구조를 확보했다. 셀 구성 성분 간 수축률과 온도 차이를 최대한 낮춰 전해질의 결함도 최소화했다. 앞으로 산업체에서 활용이 용이하도록 스크린인쇄법, 마이크로파 열처리 등 경제적인 공정을 적용하려 했다. 그 결과 상용화가 가능한 큰 면적의 전지가 기존 실험실 규모의 연구 결과를 압도하는 10배 이상의 고출력 효과를 냈다.
이 박사는 “PCFC의 성능을 극대화하고 상용화 가능한 수준의 대면적(5×5㎠) 전지를 제조할 수 있는 공정 기술을 개발했다”고 소개했다. 저온 전해질-연료극 동시제작 공정 기술은 신규 소재에도 적용될 수 있고 PCFC의 추가 대면적화도 가능하다는 점을 입증했다는 것이 그의 설명이다. 이 기술이 상용화되면 현재 두산퓨어셀·포스코에너지 등이 보급하고 있는 LNG 기반 연료전지발전소보다 훨씬 경제적이고 발전효율이 높은 차세대 연료전지발전소가 구현될 수 있을 것으로 기대된다.
이 박사는 “PCFC 신기술이 개발되더라도 인증이나 검증 등 여러 절차를 밟는 데 시간이 필요해 상용화까지 5~10년은 걸릴 것”이라며 “상용화되면 친환경 LNG 연료전지발전소에 적용한 뒤 현대차가 주력하는 수소전기차용 연료전지로도 확대할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이와 함께 연료전지를 큰 면적으로 제작할 수 있다는 이점을 살려 재생에너지의 대용량 연료 생산과 에너지 저장에도 활용할 수 있다. 로봇이나 드론 등 영화에서 접했던 분야에도 신기술을 적용할 수 있다. 이 박사는 “PCFC 상용화와 함께 재생에너지의 잉여전력을 저장해 활용하는 후속연구도 함께 진행하겠다”고 의지를 나타냈다. 이번 연구성과는 에너지 기술 분야의 권위 있는 학술지인 ‘네이처에너지’에 지난해 8월 게재됐다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com
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