신성수 교수 연구팀, 이동형 전원용 ‘고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템’ 개발

체결형 압축 패키징 기술 기반으로 급속 냉간 시동운전 구현

세라믹 연료전지 상용화 기여, ‘Journal of Materials Chemistry A’게재

국립금오공과대학교(총장 곽호상) 기계시스템공학과 신성수 교수(33) 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구센터의 김형철 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 급속 냉간 시동운전을 구현할 수 있는 이동형 전원용 ‘고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템’을 개발했다.

최근 급격한 지구 온난화로 인해 전 세계적으로 이상기후가 빈번하게 발생하는 가운데 탄소중립을 실현할 수 있는 친환경 에너지 변환 기술이 주목받고 있다. 이 가운데 연료전지는 기존 화석연료를 대체할 수 있는 대표적인 차세대 에너지 변환 시스템으로, 수소에너지를 기반으로 하므로 이산화탄소 배출이 없는 친환경 기술이다. 특히 700℃이상의 고온에서 작동하는 ‘고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)’는 연료전지 중 가장 높은 효율을 가지며, 자유롭게 이용할 수 있으며, 값비싼 촉매를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

그러나 SOFC는 높은 작동온도와 복잡한 밀봉 시스템을 필요로 하기 때문에 그동안 ‘고정형 및 건물형’ 발전 시스템으로만 이용돼 왔다. 최근에는 600℃ 이하에서도 높은 성능을 보이는 박막 기반 저온형(Low-Temperature, LT) SOFC 가 다수 보고됐지만, 이 또한 기존 고온 SOFC 시스템 기술을 근원으로 하고 있어, 냉간 급속 시동과 상온-고온 사이클 운전 등 이동형 전원으로써 가져야 할 핵심 특성과는 부합하지 않는다. 또한, SOFC의 급속 시동운전에 대한 기존 연구 결과들은 성능보다는 시동 시간에 초점이 맞춰져 있었기에 실용적 성능을 요구하는 이동형 전원으로 적용이 힘든 상황이었다.

금오공대-KIST 공동연구팀은 적외선 할로겐 램프를 열원으로 하여 급속 냉간 시동운전을 구현할 수 있는 ‘고성능 LT-SOFC 시스템’과 운모 밀봉재 및 디스크 스프링의 집적 스택 기술을 이용하여 독립적으로 전력을 생산할 수 있는 ‘체결형 압축 패키징 기술’을 개발하여 고성능 박막 기반 LT-SOFC에 적용했다. 그 결과 상온에서 운전 시작 이후 5분 만에 600℃ 에서 1.124V의 개방회로전압과 1.123Wcm-2 의 성능을 구현하는데 성공했다. 이는 비슷한 성능을 기록한 기존 세라믹 연료전지 연구에 비해 시동 시간을 약 1/10배 감소시킴과 동시에 1W 이상의 성능을 5분 이하의 시동시간으로 냉간 사이클링을 구현한 세계 최초 SOFC의 사례이다.

신성수 금오공대 교수는 “이번에 개발된 저온형 고체산화물 연료전지 시스템의 경우, 급속 냉간 시동 기술과 독립적인 셀 지그 패키징 기술을 결합하여 고성능 박막 기반 세라믹 연료전지의 급속 시동운전을 완벽하게 구현했다”며, “이는 고체산화물 연료전지의 적용범위를 기존 고정식 발전뿐만 아니라 이동형 어플리케이션으로 확장 가능하기에 세라믹 연료전지 상용화에 혁신적인 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

김형철 KIST 에너지소재연구센터 박사는 “이번 연구를 토대로 세라믹 연료전지의 급속 시동운전 기술을 지속적으로 연구할 계획이며, 운전온도를 더욱 획기적으로 낮추면서 물리화학적 안정성을 동시에 향상시킨다면 우리나라의 에너지 자립도 향상에도 크게 기여할 것으로 보인다”고 밝혔다.

본 연구는 삼성미래기술육성사업 및 KIST 기관고유사업 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 에너지 및 소재 분야 저명 SCI 학술지인 ‘재료화학저널 A(Journal of Materials Chemistry A, Impact factor: 14.511)’2023년 4월호 온라인판에 “Advancing towards ready-to-use solid oxide fuel cells: 5 minute cold start-up with high-power performance”란 제목으로 게재됐다.