'고체산화물 연료전지'의 한계를 넘다.. 상용화 초석

3차원 멀티스케일 고체산화물 연료전지를 대면적으로 제작한 사진(왼쪽)과 이번 연구 결과가 저온형 세라믹 연료전지의 세계 최고 성능을 보이고 있다는 것을 기록한 그래프다.

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다. 고체산화물 연료전지의 단점인 고온, 성능 저하 등 다양한 단점을 해결한 전지다. 발전용 연료전지부터 스마트폰을 위한 전지까지 사용할 수 있는 차세대 고체산화물 연료전지 상용화에 초석을 마련했다는 평가가 나온다.

김형철 한국과학기술연구원 에너지소재연구단 박사의 연구팀은 최만수 서울대학교 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 3차원 구조를 갖는 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다고 14일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지인 '에너지와 환경과학'에 실렸다.

저온형 고체산화물 연료전지 개발

연구팀은 음극 테이프에 고분자 몰드로 임프린팅 후 열처리하는 세라믹 마이크로패터닝 공정에 박막증착 공정을 결합해 3차원 멀티스케일 고체산화물 연료전지를 제작했다.

연구팀은 이번 연구로 고체산화물 연료전지의 상용화 가능성을 크게 높였다. 세라믹 마이크로패터닝과 박막 기반 입체 공정기술을 통해 고체산화물 연료전지의 단점을 대부분 해소했다. 고체산화물 연료전지는 고체 산화물을 전해질로 사용하는 전지로, 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치다.

연구팀은 고분자-세라믹 복합체로 구성된 음극 기판에 마이크로미터 크기의 피라미드 모양을 새겨, 3차원 음극 기판을 제작하는 세라믹 마이크로패터닝 공정을 개발했다. 이어 박막 공정을 통해 여러 층을 쌓아, 3차원 입체 구조를 갖는 멀티스케일 고체산화물 연료전지를 제작했다.

이 전지는 3차원 입체 구조를 갖고 있어 경계면의 면적이 넓다. 이는 이온 전달 성능을 높이고 전극 반응 저항은 줄이게 된다. 연구팀은 평면 구조의 기존 고체산화물 연료전지보다 50% 이상 높은 성능을 보였다고 밝혔다.

성능은 세계 최고 수준

연구팀은 이 전지를 16㎠ 이상 대면적으로 구현해 시연을 했다. 이 결과 500℃ 기준 13W(와트) 이상의 출력을 나타내는 것으로 측정했다. 이는 현존 저온형 세라믹 연료전지 중 세계 최고의 성능이다. 특히 이 전지는 500시간 이상의 장기 구동에도 성능 저하가 나타나지 않았다.

작동 온도를 600℃ 이하로 낮춘 것도 주목할만한 성과다. 기존 고체산화물 연료전지는 750℃ 이상의 높은 온도에서만 작동해 신뢰성, 공정비용 등의 문제로 상용화가 어려웠다.

KIST 김형철 박사는 "저온형 고체산화물 연료전지의 마이크로 입체 구조를 시도한 사례는 있었지만, 모든 평가 지표들(성능, 안정성, 대면적화, 양산성)을 동시에 만족시킨 연구는 이번이 처음"이라며 "세라믹 마이크로패터닝과 박막 공정기술로 제작된 입체구조 고체산화물 연료전지는 차세대 세라믹 연료전지의 상용화를 위한 기술적 한계를 넘어선 혁신적 결과"라고 밝혔다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr