3초 만에 900℃' 극한에도 작동하는 고체 산화물 연료 전지 개발

GIST-연세 대-세라 믹 기술 원 연구팀 성과 100번 이상 열 충격 사이클에서도 높은 안정성 드 론 과 같은 모바일 장치의 보조 동력 원 등 급속 구동이 필요한 발전 장치에 활용 기대

 

3초 안에 900℃ 이상 온도 작동 고체 산화물 연료 전지 기술 개발

(왼쪽부터)이 용 우 박사, 권 지 민 교수 GIST광주 과학 기술 원은 지구 ·환경 공학 부 주종 훈 교수 연구팀이 연세 대학교 홍 종 섭 교수, 한국 세라 믹 기술 원 신 태 호 박사 연구팀과 함께 3초 안에 900℃ 이상의 온도에서 작동하는 고체 산화물 연료 전지 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발된 기술은 드론(무인 기)과 같은 모바일 장치의 보조 동력 원 등 급속 구동이 필요한 발전 장치에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

세라 믹 재료로 구성된 고체 산화물 연료 전지는 낮은 열전도 도와 높은 탄성 계 수로 인해 열 충격에 취약하다는 단점이 있다. 이에 따라 승 온(점화 후 온수 온도를 상용 온도까지 상승 시키는 것) 속도를 높일 수 없어 보통 4~6시간에 이르는 긴 작동 시간이 소요된다. 또 빠른 열 사이클에서는 성능이 불안정하다는 단점도 있다.

연구팀은 열 응 력(물체의 열팽창, 열 수축이 억제된 상태에서 온도 변화가 일어나거나 열이 고르게 전달되지 않아 생기는 물체 내부 에서 의 변형 력)에 대한 이해를 기반으로 고체 산화물 연료 전지의 전해질 소재 및 두께 특성을 설계해 높은 열 충격에 대한 저항성을 확보한 연료 전지를 제작했다. 

 

고체 산화물 연료 전지 GIST 휘는 전해질을 개발

3초 안에 900 ℃이상에서 작동하는 고체 산화물 연료 전지 GIST이를 위해 취 성(외부에서 힘을 받았을 때 물체가 소성 변형을 거의 보이지 않고 파괴되는 현상)이 강해 거의 휘어지지 않는 기존의 세라 믹 기반 연료 전지와 달리 높은 유연성을 갖도록 기계적으로 안정한 3 mo l% 이 트 리 아(Y 2 O 3)가 도 핑 된 지 르 코 니 아(Zr O 2)를 전해질 소재로 사용하고 전해질 두께를 약 20μm로 제어함으로써 작은 반경까지 휘어질 수 있는 전해질을 개발했다.

이 같은 전해질 설계를 통해 연구팀이 제조한 세라 믹 기반의 고체 산화물 연료 전지는 열 응 력  시뮬레이션에서 급격한 온도 변화에도 셀이 파괴되지 않고 작동이 가능한 안정성을 보였다.

연구팀이 개발한 고체 산화물 연료 전지는 3초 안에 900℃ 이상의 온도에 도달하는 승 온 속도에도 균열 및 파단 없이 작동했으며, 100번 이상의 열 충격 사이클에서도 높은 안정성을 보였다. 나아가 1초 안에 1000℃에 도달하는 극한의 구동 환경에서도 작동이 가능한 것을 확인했다.

주 종 훈 교수는 "이번 연구 성과로 세라 믹 의 급격한 온도 변화에 따른 열 충격 문제를 해결했다"며 "고체 산화물 연료 전지 뿐 아니라 더 넓은 범위의 고온 세라 믹 기반 전기 화학 장치의 열 충격 저항성 향상 기술 발전에 기여할 것"이라고 말했다.