KIST, 3차원 구조 고체산화물 연료전지 개발
KIST, 3차원 구조 고체산화물 연료전지 개발
  • 이성현 기자
  • 승인 2020.07.14 12:00
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성능, 안정성, 양산성 동시 만족...상용화 돌파구 마련

한국과학기술연구원(KIST)이 13일 에너지소재연구단 김형철 박사팀이 서울대 최만수 교수팀과 3차원 구조를 갖는 고성능 고체산화물 연료전지를 개발했다고 밝혔다.

KIST-서울대 공동연구팀이 개발한 고체산화물 연료전지의 세라믹 마이크로패터닝과 3차원 계면 구조를 강조한 일러스트
KIST-서울대 공동연구팀이 개발한 고체산화물 연료전지의 세라믹 마이크로패터닝과 3차원 계면 구조를 강조한 일러스트

이번 기술은 소재에 제한받지 않는 구조적 개선 및 우수한 대면적화 적용성을 갖고 있다. 이에 세라믹 연료전지로 알려진 고체산화물 연료전지 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것으로 보인다.

공동연구팀은 세라믹 마이크로패터닝과 박막기반 입체 공정기술을 도입해 기존 평면 구조 연료전지 대비 50% 이상 성능을 향상시켰다.

먼저 공동연구팀은 고분자-세라믹 복합체로 구성된 음극 기판에 마이크로미터 크기 피라미드 모양을 새겨 3차원 음극 기판을 제작하는 세라믹 마이크로패터닝 공정을 개발했다.

이어 박막 공정을 통해 여러 층을 갖는 구조로 패터닝에 성공해 3차원 입체 구조를 갖는 멀티스케일 고체산화물 연료전지를 최종 구현했다.

이렇게 구현된 고체산화물 연료전지는 경계면의 면적이 증가돼 이온 전달 성능은 높아지고 전극 반응 저항은 감소해 평면 구조의 고체산화물 연료전지보다 50%이상 높은 성능을 기록했다.

또 16 cm2 이상의 대면적화 시연을 통해서 작동 온도 500℃ 기준 13W 이상의 출력을 확보했다. 이 출력 성능은 지금까지 보고된 저온형 세라믹 연료전지 중 세계 최고 성능에 해당하며, 500시간 이상의 장기구동에도 성능 저하가 거의 없는 독보적인 성과라 할 수 있다.

(왼쪽부터) KIST 김형철 책임연구원, 서울대 최만수 교수, KIST 신성수 박사
(왼쪽부터) KIST 김형철 책임연구원, 서울대 최만수 교수, KIST 신성수 박사

서울대 최만수 교수는 “이 연구는 글로벌 프런티어 과제를 통해 국내 최고 연구진들이 협력하여 차세대 세라믹 연료전지에 관한 원천 혁신 기술을 확보했다는 점에 큰 의의가 있으며, 제1저자 신성수 박사를 비롯한 공동연구진이 다년간 쏟은 끈질긴 노력의 결과물”이라고 밝혔다.

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 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템연구사업, 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행됐으며 에너지·환경 분야 권위지 ‘Energy & Environmental Science’ (IF: 33.250, JCR 분야 상위 0.199%)에 온라인 게재됐다.


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