광주과학기술원(GIST)은 주종훈 지구·환경공학부 교수팀이 홍종섭 연세대학교 교수·신태호 한국세라믹기술원 박사팀과 공동으로 3초 안에 900℃ 이상의 온도에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 제조 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.
드론과 같은 모바일 장치 보조 동력원 등 급속 구동이 필요한 발전장치에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
세라믹 재료로 구성된 고체 산화물 연료전지는 낮은 열전도도와 높은 탄성계수로 인해 열 충격에 취약하다는 단점이 있다. 점화(연소 개시) 후 온수 온도를 상용 온도까지 상승시키는 승온 속도를 높일 수 없어 보통 4-6시간에 이르는 긴 작동 시간이 소요된다. 빠른 열 사이클에서는 성능이 불안정하다.
공동 연구팀은 열응력에 대한 이해를 기반으로 고체 산화물 연료전지의 전해질 소재 및 두께 특성을 설계해 높은 열 충격에 대한 저항성을 확보한 연료전지를 제작했다. 취성(물체가 연성을 갖지 않고 파괴되는 성질)이 강해 거의 휘어지지 않는 기존의 세라믹 기반 연료전지와 달리 높은 유연성을 갖도록 기설계했다. 기계적으로 안정한 3 몰(㏖)% 이트리아를 도핑한 지르코니아를 전해질 소재로 사용하고 전해질 두께를 약 20마이크로 미터(㎛)로 제어함으로써 작은 반경까지 휘어질 수 있는 전해질을 개발했다.
이 같은 전해질 설계로 연구팀이 제조한 세라믹 기반의 고체 산화물 연료전지는 열응력 시뮬레이션에서 급격한 온도 변화에도 셀이 파괴되지 않고 작동이 가능한 안정성을 보였다. 새로 개발한 고체 산화물 연료전지는 3초 안에 900℃ 이상의 온도에 도달하는 승온 속도에도 균열 및 파단 없이 작동했다. 100번 이상의 열충격 사이클에서도 높은 안정성을 유지했다. 1초 안에 1000℃에 도달하는 극한의 구동 환경에서도 작동이 가능한 것을 확인했다.
주종훈 교수는 “이번 연구 성과로 세라믹의 급격한 온도 변화에 따른 열 충격 문제를 해결함으로써 고체 산화물 연료전지뿐 아니라 더 넓은 범위의 고온 세라믹 기반 전기화학 장치의 열 충격 저항성 향상 기술의 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 원천연구개발사업, 미래수소혁신기술개발사업, 선도연구센터사업의 지원으로 이뤄졌다. 에너지 분야 저명 국제학술지 '미국화학회(ACS) 에너지 레터스'에 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
