5분 이내 냉간 시동운전 구현
이동형 전원용으로 범위 확장
세라믹 연료전지 상용화 기대
금오공대(총장 곽호상)는 신성수 기계시스템공학과 교수 연구팀이 김형철 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구센터 박사연구팀과 공동으로 급속 냉간 시동운전을 구현할 수 있는 이동형 전원용 '고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템'을 개발했다고 5일 밝혔다.
친환경 에너지 변환 기술 가운데 연료전지는 기존 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 에너지 변환 시스템이다. 수소에너지를 기반으로 한 친환경 기술이다.
특히 700도 이상 고온에서 작동하는 '고체산화물 연료전지(SOFC)'는 연료전지 중 가장 높은 효율을 가지며, 자유롭게 이용할 수 있고 값비싼 촉매를 사용하지 않는다는 장점이 있다.
하지만 SOFC는 높은 작동온도와 복잡한 밀봉 시스템을 필요로 한다. 때문에 주로 '고정형 및 건물형' 발전 시스템으로만 사용됐다.
최근에는 600도 이하에서도 높은 성능을 보이는 박막 기반 저온형(LT) SOFC가 다수 보고됐지만 기존 고온 SOFC 시스템 기술을 근원으로 하고 있어 냉간 급속 시동과 상온-고온 사이클 운전 등 이동형 전원으로써 가져야 할 핵심 특성과 부합하지 않는다. 또 SOFC 급속 시동운전에 대한 기존 연구 결과들은 성능보다는 시동 시간에 초점이 맞춰져 실용적 성능을 요구하는 이동형 전원으로 적용하기 어려웠다.
연구팀은 적외선 할로겐 램프를 열원으로 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 개발, 고성능 박막 기반 LT-SOFC에 적용했다.
그 결과 상온에서 운전 시작 후 5분 만에 600도에서 1.124V의 개방회로전압과 1.123Wcm-2 의 성능을 구현하는 데 성공했다. 이는 비슷한 성능을 기록한 기존 세라믹 연료전지 연구에 비해 시동 시간을 약 10분의 1로 단축하는 동시에 1W 이상 성능을 5분 이하 시동시간으로 냉간 사이클링을 구현했다.
신 교수는 “이번에 개발된 저온형 고체산화물 연료전지 시스템은 급속 냉간 시동기술과 독립적인 셀 지그 패키징 기술을 결합, 고성능 박막 기반 세라믹 연료전지의 급속 시동운전을 완벽하게 구현했다”면서 “고체산화물 연료전지의 적용 범위를 이동형으로 확장 가능해 세라믹 연료전지 상용화에 혁신 역할을 할 것”이라고 기대했다.
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.
삼성미래기술육성사업 및 KIST 기관고유사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 에너지 및 소재 분야 저명 SCI 학술지인 '재료화학저널A' 온라인판에 실렸다.
구미=정재훈기자 jhoon@etnews.com
