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500시간 구동해도 멀쩡 '고체산화물 연료전지' 제작

KIST-서울대, 세라믹 마이크로 패터닝과 박막 입체 공정 입혀
성능·안정성·양산성 동시 만족
기존 평면구조 연료전지 대비 성능을 50% 이상 향상하면서 500시간 이상 장기 구동에도 끄떡없는 연료전지 기술이 개발됐다.
 
KIST(한국과학기술연구원·원장 직무대행 윤석진)는 김형철 에너지소재연구단 박사팀과 최만수 서울대 교수팀이 공동연구를 통해 3차원 구조를 갖는 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다고 14일 밝혔다.
 
KIST와 서울대가  3차원 구조를 갖는 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다.<사진=KIST 제공>KIST와 서울대가 3차원 구조를 갖는 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다.<사진=KIST 제공>

연구진은 세라믹 마이크로패터닝(micro-patterning)과 박막기반 입체 공정기술을 도입해 성능과 안정성, 양산성을 동시 확보했다. 소재에 제한받지 않는 구조적 개선과 대면적화 적용성으로 세라믹 연료전지로 알려진 고체산화물 연료전지의 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다.
 
일반적인 고체산화물 연료전지는 발전용 친환경 에너지원으로 사용되지만, 750℃ 이상의 높은 온도에서 작동돼 신뢰성 및 공정비용 문제가 상용화에 큰 걸림돌로 남아 있었다.
 
연구진은 이상적인 전기화학 소자의 형태로 잘 알려진 3차원 구조에 주목했다. 이 구조는 전극과 전해질을 평면이 아닌 3차원 입체로 구현해 전극 반응과 이온전달 성능을 높이는 개념이다. 하지만 단단하고 깨지기 쉬운 세라믹 소재가 주성분인 고체산화물 연료전지에서 이 개념을 실현하는 것은 어려운 일이었다.
 
연구진은 고분자-세라믹 복합체로 구성된 음극 기판에 마이크로미터 크기의 피라미드 모양을 새겨 넣어 3차원 음극 기판을 제작하는 세라믹 마이크로패터닝 공정 개발로 이 문제를 해결했다. 또 후속 공정인 박막 공정을 통해 여러 층을 갖는 구조로 패터닝에 성공해 3차원 입체 구조를 갖는 멀티스케일 고체산화물 연료전지를 최종 구현하는데 성공했다.
 
연구진에 따르면 구현한 고체산화물 연료전지는 3차원 입체 구조를 통해 경계면의 면적이 증가돼, 이온전달 성능은 높아지고 전극 반응 저항은 감소해 평면 구조의 고체산화물 연료전지보다 50% 이상 높은 성능을 기록했다. 16 ㎠ 이상의 대면적화 시연을 통해 작동온도 500℃ 기준 13W 이상의 출력도 확보했다.
 
연구관계자는 "이 출력 성능은 지금까지 보고된 저온형 세라믹 연료전지 중 세계 최고 성능에 해당한다. 500시간 이상의 장기구동에도 성능 저하가 거의 없는 독보적인 성과"라며 "소자의 재현성과 양산에 적합한 스퍼터링 공정을 사용했기에 향후 드론, 휴대기기 등의 모바일 혹은 운송 시장으로의 상용화가 기대된다"고 설명했다.
 
연구결과는 'Energy & Environmental Science'에 온라인 게재됐다.
 
 
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