▲ 연구에서의 세라믹 산소주머니 기능 개념(출처: 한국세라믹기술원)

국내 연구진이 전극의 산소이온 저장능력을 대폭 향상시키고 구조적 안정성을 확보할 수 있는 소재를 개발해 향후 SOFC와 고온수전해 소재·부품 국산화에 기여할 전망이다.

산업통상자원부 산하 한국세라믹기술원(원장 정연길) 저탄소·디지털전환사업단 신태호 단장과 창원대학교(총장 박민원) 소재융합시스템공학과 임형태 교수 공동연구팀은 산화물 결정구조 제어를 통해 산소전달 능력이 향상된 고성능 고체산화물 연료전지(SOFC) 기능소재를 개발했다고 23일 밝혔다.

탄소 중립의 구현을 위해 SOFC는 차세대 친환경 에너지 변환 장치로 주목받고 있으며 고성능 SOFC 개발을 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

신태호 단장 공동연구팀은 기능소재 개념을 적용해 산화물 결정구조 내에서 산소결합 구조를 제어해 산소이온 전달능력을 향상시켜 고전류범위 운전에서 SOFC의 성능이 기존보다 60% 향상됐다.

기존의 SOFC는 고전류 환경에서 전기·화학적 반응으로 인해 산소이온 전달 능력이 떨어지는 구조를 가지고 있어 한계가 명확했다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 기존 산화물의 결정구조 제어 방식을 적용하는 한편, 격자내에서 산소이온이 고전류의 전극반응을 일으킬 때 산소주머니를 입출입하면서 산소이온 전달 능력이 손실되지 않도록 하는 개념을 도입해 전극의 산소이온 저장능력을 대폭 향상시키고 구조적 안정성을 확보할 수 있다고 세계 최초로 학계에 보고했다.

특히, 개발된 기술은 대면적 코팅기술 적용이 가능하고 새로운 전극 소재를 통해 기존 SOFC의 성능이 큰 폭으로 향상될 수 있도록 하고 고온수전해의 안정성 확보가 가능해 상용화 한계를 극복할 수 있을 것으로 예상되며, 향후 발전용 연료전지와 고온수전해 핵심기술로 적용될 것으로 기대된다.

한국수력원자력 수소융복합처 담당 PD는 이번 산·학·연의 공동연구 성과가 무탄소 에너지 산업 현장에까지 적용될 수 있도록 적극적으로 협조하겠다고 밝혔다.

개발된 SOFC는 삼성전기가 개발한 셀 소재를 일부 적용해 세계최고의 성능을 구현할 수 있었다고 밝혔다. 삼성전기에서 개발한 고온수전해 핵심소재부품에 공동연구팀에서 개발한 산화물 기능소재를 에너지 효율을 저하시키는 전극과 전해질간의 반응을 차단하는 방지막으로 적용해 세계최고 수준의 SOFC 최고출력 성능(2W/cm2 @700oC)을 기록했다.

한국세라믹기술원 신태호 단장은 “KICET 저탄소·디지털 전환사업단의 세라믹 전극 소재 및 첨단 코팅 기술이 세계적 수준으로 도약하고 있으며, 향후 국내 발전용 SOFC와 고온수전해 소재·부품 국산화에 크게 기여하게 될 것”이라고 말했다.