GIST-연세대-세라믹기술원 공동연구팀, 고온에도 문제없는 고체 산화물 연료전지 기술 개발

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 기술을 개발했다고 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 설계해 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 3 mol% 이트리아(Y2O3)가 도핑된 지르코니아(ZrO2)를 전해질 소재로 사용하고 전해질 두께를 약 20μm로 제어함으로써 작은 반경까지 휘어질 수 있는 전해질을 개발했다.

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 확인했다.

주종훈 교수는 “이번 연구 성과로 세라믹의 급격한 온도 변화에 따른 열 충격 문제를 해결함으로써 고체 산화물 연료전지뿐 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 수행됐으며, 에너지 분야 저명 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 2024년 7월 24일 온라인 게재됐다.