연구진이 개발한 고체산화물 연료전지의 구조를 강조한 일러스트. KIST 제공.

국내 연구진이 기존 평면 구조 연료전지보다 성능이 50% 향상된 3차원 고체산화물 연료전지를 개발했다. 성능은 물론 안전성과 양산성을 확보한 성과다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 김형철 에너지소재연구단 책임연구원 연구팀이 최만수 서울대 교수 연구팀과 공동연구를 통해 3차원 구조의 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다고 14일 밝혔다. 

고체산화물 연료전지는 750도 이상 높은 온도에서 작동되는 만큼 신뢰성 확보가 쉽지 않고 공정 비용도 비싸다. 해결책으로 작동 온도를 600도 이하로 낮추는 연구가 수십년간 지속됐지만 성능과 신뢰성을 확보하는 데 어려움을 겪고 있다. 

연구진은 세라믹 마이크로 패터닝과 박막 기반 입체 공정 기술을 도입해 3차원 구조의 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다. 

3차원 구조의 연료전지는 전극과 전해질을 3차원으로 구현해 전극 반응과 이온전달 성능을 높인다. 그러나 단단하지만 깨지기 쉬운 세라믹 소재를 주성분으로 하는 고체산화물 연료전지를 3차원 구조로 만들기는 쉽지 않다. 

연구진은 고분자 세라믹 복합체로 구성된 음극 기판에 마이크로미터(㎛·100만분의 1미터) 크기의 피라미드 모양을 새겨넣어 3차원 음극 기판을 제작하는 세라믹 마이크로패터닝 공정을 개발했다. 후속 공정인 박막 공정을 통해 여러 층을 갖는 구조로 패터닝에 성공, 3차원 고체산화물 연료전지를 개발했다. 

연구진이 개발한 연료전지는 기존 평면 구조의 고체산화물 연료전지보다 성능이 50% 향상됐다. 작동온도 500도 기준 13와트 이상의 출력이 나왔으며 500시간 이상 구동해도 성능 저하가 거의 없었다. 

김형철 KIST 책임연구원은 “이번 연구는 차세대 세라믹 연료전지 상용화를 위한 기술 한계를 뛰어넘은 결과”라고 밝혔다. 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지환경과학’ 온라인판에 게재됐다. 

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