[뉴스웍스=백진호 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 이강택 기계공학과 교수 연구팀이 돼지 표피에서 추출한 젤라틴을 통해 수백 나노 수준의 얇은 고 치밀성 다중도핑 세라믹 박막 제조 기술을 적용한 고성능 양방향 고체산화물 연료전지를 개발하는 데 성공했다고 8일 발표했다.

연료전지는 연료와 산화제를 전기·화학적으로 반응시켜 전기에너지를 만들어낸다. 일반적인 전지는 미리 채워 놓은 화학물질에서 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸지만, 연료전지는 지속적으로 연료와 산소의 공급을 받고 화학반응을 통해 전기를 공급한다.

현재 여러 종류의 연료전지가 제작되고 있다. 핵심 구성요소는 아노드·캐소드·전해질이다. 아노드에서는 산화작용이 발생하면서 + 전기를 띄는 수소이온과 전자를 내뿜는다. 1개의 연료전기는 0.7V에 불과해 충분한 전력을 만들려면 여러 개를 직렬연결해야 한다. 전기에너지 외에 물과 열도 발생시키며, 종류에 따라 이산화질소 같은 화학 배출물을 만들곤 한다. 일반적으로 에너지 효율은 40~60%에 이르지만, 배출한 열까지 활용한다면 효율이 85%까지 증가한다.

양방향 고체산화물 연료전지는 하나의 연료전지 소자에서 수소와 전략을 생산할 수 있는 시스템으로 탄소중립 사회 실현에 필요한 에너지 변환장치다.

연구팀은 연구에서 젤라틴을 활용해 얇으면서도 치밀한 다중도핑의 세리아 나노박막 제조 공정기술을 개발했고, 이를 양방향 고체산화물 연료전지에 기능층으로 적용했다. 전기화학과 구조 분석을 통한 기능층 도입으로 산소이온의 이동경로가 크게 감소하며 전기화학적 활성영역이 많이 증가하는 것을 확인했다.

양방향 연료전지는 기존 공정을 적용한 연료전지보다 2배 이상 높은 성능을 보였으며, 동일 소재를 사용한 연료전지 중 가장 높은 성능(3.5W/㎠, 750oC) 을 발휘했다. 수소 생산에서도 높은 수준의 성능을 구현했다. 연료전지 소자는 1500시간 동안 열화 없이 구동되며 높은 안정성을 입증했다.

이강택 교수는 "연구 공정은 대면적 양산시스템에도 쉽게 적용할 수 있어 탄소중립 실현을 위한 고성능 양방향 연료전지 상용화에 본 기술을 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지인 '어드벤스드 펑셔널 머티리얼스'에 지난 9월 8일 자 온라인판에 게재됐고, 표지 논문으로도 선정됐다.