고체산화물 연료전지의 세라믹 마이크로패터닝과 3차원 계면 구조를 강조한 모식도(한국과학기술연구원 제공) 2020.07.14 / 뉴스1

한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구단의 김형철 박사팀은 최만수 서울대학교 기계공학부 교수팀과 공동연구를 통해 3차원 구조를 갖는 고성능 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)를 개발했다고 14일 밝혔다.

일반적인 고체 산화물 연료전지는 750℃ 이상의 높은 온도에서 작동된다. 높은 작동 온도때문에 화학적·기계적 성능 저하, 값비싼 내열재료 사용 등의 문제로 이 기술이 상용화되는데 큰 걸림돌로 남아 있다. 이를 해결하기 위해 작동온도를 600℃ 이하로 낮추는 연구가 지속되고 있다.이러한 어려움을 해결하기 위해 연구진은 세라믹 마이크로패터닝(micro-patterning)과 박막기반 입체 공정기술을 도입해 3차원 구조 연료전지를 만들었다. 마이크로패터닝은 마이크로미터(백만분의 1미터) 규모로 원하는 구조물을 만들거나 기판 등에 무늬를 만들어내는 기술이다.

효율적인 전기화학 소자 구조로 알려진 3차원 구조는 전극과 전해질을 평면이 아닌 입체로 만들어 전극반응과 이온 전달 성능을 높일 수 있다. 세라믹은 부드럽지 않아 원하는 모양으로 만들기 어렵고, 깨지기 쉬워 이를 주성분으로 만든 고체 산화물 연료전지에서 3차원 구조를 실현하는 것은 어렵다고 여겨졌다. 

세라믹 마이크로패터닝 공정을 이용한 3차원 멀티스케일 고체산화물 연료전지 제작 공정 (한국과학기술연구원 제공) 2020.07.14 / 뉴스1

KIST·서울대 공동연구팀은 고분자-세라믹 복합체로 구성된 기판에 마이크로미터 크기의 피라미드 모양을 새겨 넣어 3차원 음극 기판을 제작하는 세라믹 마이크로패터닝 공정을 개발하였다. 이어 제작된 피라미드 모양의 기판에 다른 연료전지 재료를 얇게 입히는 '박막 공정'을 통해 여러 층을 갖는 구조를 만드는 데 성공하여 3차원 입체 구조를 갖는 멀티스케일 고체산화물 연료전지를 최종 구현했다.공동연구진이 구현한 고체산화물 연료전지는 3차원 입체 구조를 통해 경계면의 면적을 넓혀 이온 전달 성능은 높이고 전극 반응 저항은 줄여 평면 구조의 고체산화물 연료전지보다 50% 이상의 높은 성능을 얻어냈다. 또한 연구진은 연료전지를 대면적으로 제작 후 성능 시험을 통해서 작동 온도 500℃ 기준 13W 이상의 출력을 확인하고 500시간 이상의 장기구동에도 성능 저하가 거의 없는 점을 확인했다.

연구진은 이번 기술은 소재에 제한받지 않는 구조적인 개선을 통해 성능을 높였고, 대면적화 가능성을 가지고 있어 세라믹 연료전지로 알려진 고체산화물 연료전지의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 기대했다. 다만 실제 상용화를 위해서는 시스템 체결 기술, 소자 구동 기술 등과 같은 최적화 후속 연구가 필요하다고 밝혔다.

최만수 교수는 "이 연구는 글로벌 프런티어 과제를 통해 국내 최고 연구진들이 협력하여 차세대 세라믹 연료전지에 관한 원천 혁신 기술을 확보했다는 점에 큰 의의가 있다"며 "제1저자인 신성수 박사를 비롯한 공동연구진이 다년간 쏟은 끈질긴 노력의 결과물이다"라고 말했다.

김형철 박사는 "저온형 고체산화물 연료전지의 마이크로 입체 구조를 시도한 사례는 있었지만, 성능, 안정성, 대면적화, 양산성등의 주요 성능 지표를 동시에 만족시킨 연구는 이번이 처음"이라며 "세라믹 마이크로패터닝과 박막 공정기술로 제작된 입체구조 고체산화물 연료전지는 차세대 세라믹 연료전지의 상용화를 위한 기술적 한계를 넘어선 결과"라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업, 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행됐으며, 논문은 에너지·환경 분야 학술지 에너지 앤드 엔바이러멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)에 게재됐다.


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