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  • 기사등록 2020-07-14 12:00:03
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▲ 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 김형철 박사, 서울대 기계공학부 최만수 교수 공동연구팀이 3차원 구조를 갖는 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다. KIST 김형철 박사팀의 신성수 박사가 마이크로 입체구조를 적용한 차세대 세라믹 연료전지 패턴을 확인하고 있다.



[기계신문] 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지는 높은 발전효율과 오염물질 배출이 적어 차세대 에너지 시스템의 대표주자로 여겨진다.


이 중 세라믹을 주 물질로 사용하는 고체산화물 연료전지는 연료 사용의 자유도가 높고 에너지 효율이 가장 높다는 장점을 갖고 있어 상용화 가능성이 매우 크다.


하지만 기존 고체산화물 연료전지는 전해질의 이온전도 특성과 전극의 촉매 특성을 높이기 위해 700℃ 이상의 높은 작동온도를 필요로 하고, 이로 인한 화학적·기계적 성능 저하 현상, 값비싼 내열재료 사용, 제한적인 시스템 구성 요소 사용 등의 문제점이 있었다.


이러한 가운데, 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단 김형철 박사, 서울대 기계공학부 최만수 교수 공동연구팀이 3차원 구조를 갖는 고성능 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)를 개발했다. 이는 성능과 안정성, 양산성을 동시에 확보한 한계 돌파형 성과로 주목받고 있다.



▲ 세라믹 마이크로패터닝 공정을 이용한 3차원 멀티스케일 고체산화물 연료전지 제작 공정. 음극 테이프에 고분자 몰드로 임프린팅 후 열처리하는 세라믹 마이크로패터닝 공정에 박막증착 공정을 결합하여 3차원 멀티스케일 고체산화물 연료전지를 제작



연구팀은 혁신적인 세라믹 마이크로패터닝(micro-patterning)과 박막기반 입체 공정기술을 도입하여 기존 평면 구조 연료전지 대비 성능을 50% 이상 향상시켰다.


이 기술은 소재에 제한받지 않는 구조적인 개선 및 우수한 대면적화 적용성을 가지고 있어 세라믹 연료전지로 알려진 고체산화물 연료전지의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.


일반적인 고체산화물 연료전지는 750℃ 이상의 높은 온도에서 작동되며 발전용 친환경 에너지원으로 사용된다. 하지만 높은 작동온도에 기인하는 신뢰성 및 공정비용 문제가 이 기술의 상용화에 큰 걸림돌로 남아 있었다.


이를 해결하기 위해 작동온도를 600℃ 이하로 낮추는 저온화 연구는 수십 년간 지속되고 있으나, 여전히 낮은 온도에서 고성능과 고신뢰성, 양산성을 동시에 확보하지 못하고 있었다.


이상적인 전기화학 소자의 형태로 잘 알려진 3차원 구조는 전극과 전해질을 평면이 아닌 3차원 입체로 구현하여 전극반응과 이온전달 성능을 높이는 개념이다. 단단하고 깨지기 쉬운 소재인 세라믹이 주성분인 고체산화물 연료전지에서 이 개념을 실현하는 것은 어려운 일이었다.



▲ 개발된 3차원 멀티스케일 고체산화물 연료전지 관련 연구 성과. 3차원 멀티스케일 고체산화물 연료전지의 성공적인 대면적화와 재현성을 나타내는 사진이며 본 연구결과가 저온형 세라믹 연료전지의 세계 최고 성능임을 보이는 그래프



KIST-서울대 공동연구팀은 고분자-세라믹 복합체로 구성된 음극 기판에 마이크로미터 크기의 피라미드 모양을 새겨 넣어 3차원 음극 기판을 제작하는 세라믹 마이크로패터닝 공정을 개발했다.


또한, 후속 공정인 박막 공정을 통해 여러 층을 갖는 구조로 패터닝에 성공하여 3차원 입체 구조를 갖는 멀티스케일 고체산화물 연료전지를 최종 구현하였다.


연구팀이 구현한 고체산화물 연료전지는 3차원 입체 구조를 통해 경계면의 면적이 증가되어 이온 전달 성능은 높아지고, 전극 반응 저항은 감소하여 평면 구조의 고체산화물 연료전지보다 50% 이상 높은 성능을 기록했다.


또한, 이 기술은 16㎠ 이상의 대면적화 시연을 통해 작동 온도 500℃ 기준 13W 이상의 출력을 확보하였다. 이 출력 성능은 지금까지 보고된 저온형 세라믹 연료전지 중 세계 최고 성능에 해당하며, 500시간 이상의 장기구동에도 성능 저하가 거의 없는 독보적인 성과라 할 수 있다.


서울대 최만수 교수는 “이번 연구는 글로벌 프런티어 과제를 통해 국내 최고 연구진들이 협력하여 차세대 세라믹 연료전지에 관한 원천 기술을 확보했다는 데 큰 의의가 있으며, 신성수 박사를 비롯한 공동연구팀이 다년간 쏟은 끈질긴 노력의 결과물”이라고 강조했다.


KIST 김형철 박사는 “저온형 고체산화물 연료전지의 마이크로 입체 구조를 시도한 사례는 있었지만, 모든 평가 지표들을 동시에 만족시킨 연구는 이번이 처음”라며 “세라믹 마이크로패터닝과 박막 공정기술로 제작된 입체구조 고체산화물 연료전지는 차세대 세라믹 연료전지의 상용화를 위한 기술적 한계를 넘어선 혁신적 결과”라고 밝혔다.



▲ KIST-서울대 공동연구팀이 개발한 고체산화물 연료전지의 세라믹 마이크로패터닝과 3차원 계면 구조를 강조한 일러스트



이번 연구에서는 소재에 제한되지 않는 구조적인 개선을 바탕으로 성능 증가 효과를 제시하고 있기에, 향후 발전용 및 일반적인 고체산화물 연료전지에 적용될 전망이다.


또한, 세라믹 마이크로패터닝의 대면적화 가능성과 양산에 적합한 스퍼터링 공정 도입을 바탕으로 시스템 체결 기술, 소자 구동 기술 등과 같은 시스템 최적화 연구가 추가된다면 드론, 휴대기기 등의 모바일 혹은 운송 시장으로의 상용화 가능성이 커질 것으로 기대된다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원 아래 KIST 주요사업 및 한국연구재단 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업, 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지·환경 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’에 온라인 게재되었다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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