국내 연구진이 3차원 구조를 지닌 고성능 고체 산화물 연료전지를 개발했다.

3차원 전지는 평면 구조 연료전지 대비 성능을 50% 이상 향상했을 뿐 아니라 대량 양산에도 적합한 구조를 지녀 상용화를 크게 앞당길 성과로 주목받는다.

연구진이 개발한 고성능 고체 산화물 연료전지의 세라믹 마이크로패터닝과 3차원 계면 구조 / KIST
연구진이 개발한 고성능 고체 산화물 연료전지의 세라믹 마이크로패터닝과 3차원 계면 구조 / KIST
한국과학기술연구원(KIST)은 김형철 에너지소재연구단 박사팀이 최만수 서울대학교 교수팀과 공동연구를 통해 3차원 구조를 지닌 고성능 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)를 개발했다고 14일 밝혔다.

기존 고체 산화물 연료전지는 750℃ 이상 높은 온도에서 작동하는 특성을 보였다. 높은 작동온도로 인한 신뢰성 및 공정비용 문제로 상용화가 어려웠다. 이를 해결하기 위해 연구계에서는 작동온도를 600℃ 이하로 낮추는 저온화 연구를 수십년간 지속했으나 낮은 온도에서 고성능과 고신뢰성, 양산성을 동시에 확보하지 못했다.

KIST·서울대 공동연구팀은 고분자·세라믹 복합체로 구성한 음극 기판에 마이크로미터 크기의 피라미드 모양을 새겨 넣어 3차원 음극 기판을 제작하는 세라믹 마이크로패터닝 공정을 개발했다. 이후 박막 공정을 통해 여러 층을 갖는 구조로 패터닝하여 3차원 입체 구조를 지닌 고체 산화물 연료전지를 최종 구현했다.

연구진이 개발한 고체 산화물 연료전지는 3차원 입체 구조를 지녀 경계면 면적이 넓어 더 많은 산소이온 전달이 가능하다. 이온 전달 성능은 높이고 전극 반응 저항은 감소시킬 수 있었던 이유다.

전지를 16㎠ 이상 대면적으로 구현해 시연한 결과, 작동 온도 500℃ 기준 13W 이상 출력을 보였다고 연구진은 밝혔다. 이는 지금까지 보고된 저온형 세라믹 연료전지 중 가장 뛰어난 출력 성능이며 500시간 이상 장기구동에도 성능 저하가 거의 없었다고 덧붙였다.

김형철 KIST 박사는 "저온형 고체 산화물 연료전지의 마이크로 입체 구조를 시도한 사례는 있었지만, 모든 평가 지표(성능, 안정성, 대면적화, 양산성)를 동시에 만족시킨 연구는 이번이 처음"이라고 말했다.

김동진 기자 communication@chosunbiz.com