세라믹 산소 주머니 활용 혁신적인 연료전지 성능 향상한다

- 세기원, 산화물 결정구조내 산소저장 능력 향상을 통한 세계최고 수준의 SOFC 성능 구현

이번 연구에서의 세라믹 산소주머니 기능 개념. (자료제공: KICET)

기존 전극에서의 삼상계면(TPB) 기능 개면

한국세라믹기술원(KICET, 원장 정연길)은 저탄소·디지털전환사업단 신태호 단장과 창원대학교(총장 박민원) 소재융합시스템공학과 임형태 교수 공동연구팀이 산화물 결정구조 제어를 통해 산소전달 능력이 향상된 고성능 고체산화물 연료전지(SOFC) 기능소재를 개발했다고 10월 23일 밝혔다. 

SOFC(Solid Oxide Fuel Cells, 고체산화물 연료전지)는 수소와 산소 반응의 화학에너지를 전기화학적 반응의 전기로 직접 변환시키는 발전장치로 산소이온 전도성 세라믹소재를 이용하는 세라믹 연료전지이다.

탄소 중립의 구현을 위해 SOFC는 차세대 친환경 에너지 변환 장치로 주목받고 있으며, 고성능 SOFC 개발을 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

신태호 단장 공동연구팀은 세계최초로 기능소재 개념을 적용하여 산화물 결정구조내에서 산소결합 구조를 제어하여 산소이온 전달능력을 향상시켜 고전류범위 운전에서 SOFC의 성능이 기존보다 60% 향상되었다. 

기존의 SOFC는 고전류 환경에서 전기·화학적 반응으로 인해 산소이온 전달 능력이 떨어지는 구조를 가지고 있어 한계가 명확했다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 기존 산화물의 결정구조 제어 방식을 적용하는 한편, 격자내에서 산소이온이 고전류의 전극반응을 일으킬 때 산소주머니를 입출입하면서 산소이온 전달 능력이 손실되지 않도록 하는 개념을 도입하여 전극의 산소이온 저장능력을 대폭 향상시키고 구조적 안정성을 확보할 수 있다고 세계 최초로 학계에 보고했다.

특히, 개발된 기술은 대면적 코팅기술 적용이 가능하고 새로운 전극 소재를 통해 기존 SOFC의 성능이 큰 폭으로 향상될 수 있도록 하고 고온수전해의 안정성 확보가 가능해 상용화 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상되며 향후 발전용 연료전지와 고온수전해 핵심기술로 적용될 것으로 기대된다.

이번 연구성과는 산업통상자원부가 주관하고 한국수력원자력(주)에서 지원하는 사외공모과제 지원을 받아 한국세라믹기술원에서 탄소중립실현을 위해 수행한 연구결과로 한국수력원자력은 2017년부터 차세대 혁신 기술을 선도하기 위해 외부기관과 사외공모과제를 지속적으로 추진하고 있다.

한국수력원자력(주) 수소융복합처 담당 PD는 “이번 산·학·연의 공동연구 성과가 무탄소 에너지 산업 현장에까지 적용될 수 있도록 적극적으로 협조하겠다”고 밝혔다.

이번 개발된 SOFC는 삼성전기가 개발한 셀 소재를 일부 적용하여 세계최고의 성능을 구현할 수 있었다. 삼성전기에서 개발한 고온수전해 핵심소재부품에 공동연구팀에서 개발한 산화물 기능소재를 에너지 효율을 저하시키는 전극과 전해질간의 반응을 차단하는 방지막으로 적용하여 세계최고 수준의 SOFC 최고출력 성능(2W/㎠ @700℃)을 기록하였다. 

한국세라믹기술원 신태호 단장은 “KICET 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 연구성과는 와일리(wiley)에서 발간하는 소재 분야 과학저널인 ‘Advanced Science’에 10월호 표지 논문으로 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]