세라믹 취성 한계 극복한 고유연 고체산화물 연료전지 개발

- IMO 규제 대응 및 수소 사회 실현에 기여 기대

연구 모식도 및 연구결과. (자료제공: 인천대)

인천대학교(총장 박종태)는 신소재공학과 원보람 박사과정생(1저자)과 명재하 교수(교신저자)가 지르코니아의 결정구조 제어를 통하여 기존 세라믹 연료전지의 취성 한계를 극복한 고유연성 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) 개발했다고 3월 27일 밝혔다.

고체산화물 전지는 세라믹 소재의 고온형 전기화학 장치로서 귀금속 촉매 없이 고효율∙무공해 전력 발전뿐만 아니라 H₂와 합성연료 등의 생산이 가역적으로 가능한 차세대 에너지 변환 및 저장 시스템이지만 기존 세라믹 전해질의 취성으로 인해 외부로부터의 충격에 취약한 내구성의 한계가 있어 주로 대규모의 정치형 발전 장치에만 제한적으로 활용되고 있었다. 

이번 연구팀은 이러한 고체산화물 전지의 취성을 극복하기 위해 ‘유연한(flexible) 고체산화물 전지’ 개발 연구를 수행하여 정방정계(tetragonal phase) 지르코니아의 결정 구조와 상 안정성을 제어함으로써 매우 유연한 스칸디아 안정화 지르코니아(Sc₂O₃-ZrO₂) 시스템과 그 메커니즘을 입증하였다. 

한편, 고유연성 세라믹 전해질 구현을 위한 핵심 요소는 변형가능한(transformable) 정방정상 지르코니아로 정방정상은 기계적 응력이 가해지면 단사정상(monoclinic phase)으로 상전이가 일어나며 최대 5%의 부피팽창을 수반하며 세라믹 재료의 기계적 파괴를 막는 특성이 있다. 

이러한 정방정상의 외부 유기응력에 의한 상전이 특성은 얇은 세라믹 전해질에 우수한 기계적 인성과 유연성을 부여하는데 이번 연구에서 스칸디아 도핑량을 제어하여 지르코니아의 결정구조를 변형 가능한 정방정상에 해당하는 tetragonality범위(c/a로 >1.010)로 제어하였다. 

이번 연구에서 개발된 스칸디아 안정화 지르코니아계 고유연성 전해질은 수백 회 이상 반복적인 굽힘에도 우수한 탄성과 내구성을 보였고 최종적으로 테이프 캐스팅 및 스크린 인쇄와 같은 간단한 기술을 사용하여 고유연성 전해질 지지형 고체산화물 단위전지(셀 두께 <55µm)를 구현하였다. </p>

고유연성 신 전해질 소재로 구성된 단위 전지는 900℃의 수소 연료 전지 모드에서 최대 전력 밀도 1.2 W/㎠를 기록하였고, 350시간의 연속 구동에서도 열화 없이 안정적으로 작동하여 우수한 내구성을 입증하였다. 또한 모든 온도(700–900℃)에서 보고된 유연한 SOFC 중 가장 높은 최대 전력 밀도를 달성하였으며, 기존의 유연한 이트리아 안정화 전해질에 비해 700℃에서 셀 성능이 123% 이상 획기적으로 향상되었다.

연구팀의 고유연성 고체산화물 연료전지(SOFC)는 전해질의 우수한 강도와 성형성을 바탕으로, 기존 상용 전해질 지지형 SOFC (~200µm) 대비 약 8배 이상 전해질 두께를 25µm 이하로 획기적으로 감소시킴으로써 전해질의 이온 전도 거리를 최소화하여 전지 성능을 향상시키고 시스템의 경량화·소형화를 가능하게 하는 핵심기술로서 가능성을 입증하였다.

따라서 이번 기술은 대규모 발전용뿐만 아니라 소형기기, 이동식 장치에 이르기까지 다양한 분야에서 SOFC의 적용 가능성을 나타내며, 특히 수소 선박, 수소 트럭, 항공기와 같은 수송형 연료전지의 핵심기술로서, IMO 규제 대응 및 수소 사회 실현에 기여할 것으로 기대되고 있다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부 및 산업통상자원부의 재원으로 한국연구재단(우수신진연구) 및 한국산업기술기획평가원의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 화학공학 분야 국제 저명 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 3월 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]