3초 안에 900℃ 이상 치솟는 고온에서도 작동하는 SOFC 기술 개발

- SOFC의 열응력 기반 설계로 세라믹의 낮은 열충격 저항성 극복

- 드론 등 급속 구동이 필요한 발전장치에 활용 기대

3초 안에 900 ℃이상에서 작동하는 고체 산화물 연료전지. (자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 지구·환경공학부 주종훈 교수 연구팀이 연세대학교 홍종섭 교수, 한국세라믹기술원 신태호 박사 연구팀과 함께 3초 안에 900℃ 이상의 온도에서 작동하는 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 기술을 개발했다고 8월 8일 밝혔다.

이번에 개발된 기술은 드론과 같은 모바일 장치의 보조 동력원 등 급속 구동이 필요한 발전장치에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

세라믹 재료로 구성된 고체 산화물 연료전지는 낮은 열전도도와 높은 탄성계수로 인해 열 충격에 취약하다는 단점이 있다. 이에 따라 승온 속도를 높일 수 없어 보통 4-6시간에 이르는 긴 작동 시간이 소요된다. 또한 빠른 열 사이클에서는 성능이 불안정하다는 단점도 있다.

연구팀은 열응력에 대한 이해를 기반으로 고체 산화물 연료전지의 전해질 소재 및 두께 특성을 설계하여 높은 열 충격에 대한 저항성을 확보한 연료전지를 제작했다.

이를 위해 취성이 강해 거의 휘어지지 않는 기존의 세라믹 기반 연료전지와 달리 높은 유연성을 갖도록 기계적으로 안정한 3mol(몰)% 이트리아(Y₂O₃)가 도핑된 지르코니아(ZrO₂)를 전해질 소재로 사용하고 전해질 두께를 약 20㎛(마이크로미터)로 제어함으로써 작은 반경까지 휘어질 수 있는 전해질을 개발하였다.

이 같은 전해질 설계를 통해 연구팀이 제조한 세라믹 기반의 고체 산화물 연료전지는 열응력 시뮬레이션에서 급격한 온도 변화에도 셀이 파괴되지 않고 작동이 가능한 안정성을 보였다.

연구팀이 개발한 고체 산화물 연료전지는 3초 안에 900℃ 이상의 온도에 도달하는 승온 속도에도 균열 및 파단 없이 작동했으며, 100번 이상의 열충격 사이클에서도 높은 안정성을 보였다. 나아가 1초 안에 1000℃에 도달하는 극한의 구동 환경에서도 작동이 가능한 것을 확인하였다.

주종훈 교수는 “이번 연구 성과로 세라믹의 급격한 온도 변화에 따른 열 충격 문제를 해결함으로써 고체 산화물 연료전지 뿐 아니라 더 넓은 범위의 고온 세라믹 기반 전기화학 장치의 열 충격 저항성 향상 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 원천연구개발사업, 미래수소혁신기술개발사업, 선도연구센터사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘ACS Energy Letters’에 7월 24일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]