체결형 압축 패키징 기술 기반으로 급속 냉간 시동운전 구현세라믹 연료전지 상용화 기여, ‘Journal of Materials Chemistry A’ 게재
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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 발생하면서 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 하는 이산화탄소 배출이 없는 친환경 기술이다.700℃이상의 고온에서 작동하는 ‘고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)’는 연료전지 중 가장 높은 효율을 가지고 있고 자유롭게 이용할 수 있으며, 값비싼 촉매를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.하지만 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.SOFC의 급속 시동운전에 대한 기존 연구 결과들은 성능보다는 시동 시간에 초점이 맞춰져 있어 실용적 성능을 요구하는 이동형 전원으로 적용이 힘든 상황이었다.
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이에 금오공대-KIST 공동연구팀은 적외선 할로겐 램프를 열원으로 해 급속 냉간 시동운전을 구현할 수 있는 ‘고성능 LT-SOFC 시스템’과 운모 밀봉재 및 디스크 스프링의 집적 스택 기술을 이용해 독립적으로 전력을 생산할 수 있는 ‘체결형 압축 패키징 기술’을 개발해 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 결합해 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.한편 이번 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.