광주과학기술원은 지구·환경공학부 주종훈 교수 연구팀이 연세대학교 홍종섭 교수, 한국세라믹기술원 신태호 박사 연구팀과 함께 3초 안에 900℃ 이상의 온도에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

이번에 개발된 기술은 드론(무인기)과 같은 모바일 장치의 보조 동력원 등 급속 구동이 필요한 발전장치에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

세라믹 재료로 구성된 고체 산화물 연료전지는 낮은 열전도도와 높은 탄성계수로 인해 열 충격에 취약하다는 단점이 있다. 이에 따라 승온(점화 후 온수 온도를 상용 온도까지 상승시키는 것) 속도를 높일 수 없어 보통 4~6시간에 이르는 긴 작동 시간이 소요된다. 또 빠른 열 사이클에서는 성능이 불안정하다는 단점도 있다.

연구팀은 열응력(물체의 열팽창, 열 수축이 억제된 상태에서 온도 변화가 일어나거나 열이 고르게 전달되지 않아 생기는 물체 내부에서의 변형력)에 대한 이해를 기반으로 고체 산화물 연료전지의 전해질 소재 및 두께 특성을 설계해 높은 열 충격에 대한 저항성을 확보한 연료전지를 제작했다.

이를 위해 취성(외부에서 힘을 받았을 때 물체가 소성 변형을 거의 보이지 않고 파괴되는 현상)이 강해 거의 휘어지지 않는 기존의 세라믹 기반 연료전지와 달리 높은 유연성을 갖도록 기계적으로 안정한 3 mol% 이트리아(Y2O3)가 도핑된 지르코니아(ZrO2)를 전해질 소재로 사용하고 전해질 두께를 약 20μm로 제어함으로써 작은 반경까지 휘어질 수 있는 전해질을 개발했다.

이 같은 전해질 설계를 통해 연구팀이 제조한 세라믹 기반의 고체 산화물 연료전지는 열응력 시뮬레이션에서 급격한 온도 변화에도 셀이 파괴되지 않고 작동이 가능한 안정성을 보였다.

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

주종훈 교수는 "이번 연구 성과로 세라믹의 급격한 온도 변화에 따른 열 충격 문제를 해결했다"며 "고체 산화물 연료전지뿐 아니라 더 넓은 범위의 고온 세라믹 기반 전기화학 장치의 열 충격 저항성 향상 기술 발전에 기여할 것"이라고 말했다.

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