한국세라믹기술원 저탄소·디지털전환사업단 신태호 단장과 창원대학교 소재융합시스템공학과 임형태 교수 공동연구팀이 산화물 결정구조 제어를 통해 산소전달 능력이 향상된 고성능 고체산화물 연료전지(SOFC) 기능소재를 개발했다.
SOFC는 탄소중립 구현을 위한 차세대 친환경 에너지 변환 장치로 주목받고 있으나 고전류 환경에서 전기·화학적 반응으로 인해 산소이온 전달 능력이 떨어지는 구조를 가지고 있어 한계가 명확했다.
신태호 단장 공동연구팀은 기능소재 개념을 처음으로 적용해 산화물 결정구조내에서 산소결합 구조를 제어하고 산소이온 전달능력을 향상시켜 고전류 범위 운전에서 SOFC 성능을 기존보다 60% 향상시키는 성과를 거뒀다.
기존 산화물 결정구조 제어 방식을 적용하는 한편 격자 내에서 산소이온이 고전류 전극반응을 일으킬 때 산소주머니를 입출입하면서 산소이온 전달 능력이 손실되지 않도록 하는 개념을 도입했다.
이를 통해 전극의 산소이온 저장능력을 대폭 향상시키고 구조적 안정성을 확보할 수 있음을 세계 최초로 학계에 보고했다.
특히 이 기술은 대면적 코팅기술 적용이 가능하고 새로운 전극 소재를 통해 기존 SOFC 성능이 큰 폭으로 향상될 수 있도록 했다는 점에서 주목된다. 또 고온수전해 안정성 확보가 가능해 상용화 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상되며 향후 발전용 연료전지와 고온수전해 핵심기술 적용이 기대된다.
이번에 개발한 SOFC는 삼성전기가 개발한 셀 소재를 일부 적용해 세계 최고성능을 구현할 수 있었다는 게 연구팀 설명이다. 삼성전기가 개발한 고온수전해 핵심소재부품에 연구팀이 개발한 산화물 기능소재를 전극과 전해질 간 반응을 차단하는 방지막으로 적용해 최고출력 성능을 기록했다.
산업통상자원부가 주관하고 한국수력원자력에서 지원하는 사외공모과제 지원을 받아 한국세라믹기술원에서 수행한 이번 연구결과에 대해 한수원 수소융복합처 담당 PD는 무탄소 에너지 산업 현장에 적용될 수 있도록 적극 협조하겠다고 밝혔다.
신태호 단장은 “한국세라믹기술원 저탄소·디지털 전환사업단의 세라믹 전극 소재 및 첨단 코팅 기술이 세계적 수준으로 도약하고 있으며 향후 국내 발전용 SOFC와 고온수전해 소재·부품 국산화에 크게 기여하게 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 와일리(wiley)에서 발간하는 소재 분야 과학저널인 '어드밴스드 사이언스' 10월호 표지 논문으로 온라인 게재됐다.
진주=노동균 기자 defrost@etnews.com
