한국세라믹기술원 저탄소·디지털전환사업단 신태호 단장과 창원대 소재융합시스템공학과 임형태 교수 공동연구팀은 산화물 결정구조 제어를 통해 산소전달 능력이 향상된 고성능 고체산화물 연료전지(SOFC) 기능 소재를 개발했다고 23일 밝혔다.

Advanced Science 10월호 표지 논문. 한국세라믹기술원 제공

SOFC(Solid Oxide Fuel Cells, 고체산화물 연료전지)는 수소와 산소 반응의 화학에너지를 전기화학적 반응의 전기로 직접 변환시키는 발전장치로 산소 이온 전도성 세라믹 소재를 이용하는 세라믹 연료전지를 말한다.

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

신태호 단장 공동연구팀은 세계 최초로 기능 소재 개념을 적용해 산화물 결정구조 내에서 산소결합 구조를 제어해 산소 이온 전달 능력을 향상시켜 고전류 범위 운전에서 SOFC의 성능이 기존보다 60% 향상됐다.

기존의 SOFC는 고전류 환경에서 전기·화학적 반응으로 인해 산소 이온 전달 능력이 떨어지는 구조로 되어 있어 한계가 명확했다.

연구팀은 기존 산화물의 결정구조 제어 방식을 적용하는 한편 격자 내에서 산소 이온이 고전류의 전극반응을 일으킬 때 산소 주머니를 출입하면서 산소 이온 전달 능력이 손실되지 않도록 하는 개념을 도입했다.

또 이를 통해 전극의 산소 이온 저장능력을 대폭 향상하고 구조적 안정성을 확보할 수 있다고 세계 최초로 학계에 보고했다.

특히 개발된 기술은 대면적 코팅 기술 적용이 가능하고 새로운 전극 소재를 통해 기존 SOFC의 성능이 큰 폭으로 향상될 수 있도록 하고 고온 수전해의 안정성 확보가 가능해 상용화 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상된다.

또 향후 발전용 연료전지와 고온수전해 핵심기술로 적용될 것으로 기대된다.

이번에 개발된 SOFC는 삼성전기가 개발한 셀 소재를 일부 적용해 세계최고의 성능을 구현할 수 있었다. 삼성전기에서 개발한 고온 수전해 핵심 소재부품에 공동연구팀에서 개발한 산화물 기능 소재를 에너지 효율을 저하하는 전극과 전해질 간의 반응을 차단하는 방지막으로 적용해 세계 최고 수준의 SOFC 최고 출력 성능(2W/cm2 @700oC)을 기록했다.

신 단장은 “KICET 저탄소·디지털 전환사업단의 세라믹 전극 소재 및 첨단 코팅 기술이 세계적 수준으로 도약하고 있다”며 “향후 국내 발전용 SOFC와 고온 수전해 소재·부품 국산화에 크게 기여하게 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 와일리(wiley)에서 발간하는 소재 분야 과학저널인 어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF=15.1)에 10월호 표지 논문으로 온라인 게재됐다.