[POSTECH·KIST·한양대·아바코, 차세대 고온형 연료전지 핵심기술 개발로 박막 SOFC 제조 속도 20배·성능 89% 향상]

 

 

 최근 기계공학과 안지환 교수 연구팀이 수소에서 전기로의 고효율 변환이 가능한 박막형 연료전지의 제조 속도를 기존보다 약 20배  빠르게 하면서도 성능 또한 89% 향상시킬 수 있는 혁신 기술을 개발했다. 이 연구는 수소 경제 핵심 인프라인 ‘고체산화물 연료전지(이하 SOFC^*1 )’ 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대되며, 국제 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 25년 8월호 후면 표지 논문(Back Cover Article)으로 게재됐다.

 전 세계가 지구온난화를 막기 위해 탄소중립을 목표로 노력하는 가운데, 수소는 가장 유망한 청정 에너지원으로 주목받고 있다. 특히 수소를 전기로 바꾸는 SOFC는 전기 생산 효율이 높아 미래 에너지 시스템의 핵심 기술로 여겨진다.

 하지만 기존 SOFC는 주로 800℃ 이상의 고온에서 작동해 다양한 분야 적용에 어려움이 있었다. 전해질 막을 머리카락 굵기 1/100 수준으로 아주 얇게 만든 ‘박막형 SOFC’는 비교적 낮은 온도(500~650℃)에서도 효율적으로 작동하지만, 박막을 균일하게 제작하고 전기화학 반응이 일어나는 면적인 ‘삼상계면^*2 ’을 충분히 확보하는 데 한계가 있었다. 또한 양산화를 위해 기존 연구실 수준의 공정을 대면적화하고 고속화하는 기술 개발이 필요했다.

 POSTECH 연구팀은 KIST, 한양대와 함께 ‘나노 연료극 기능층(nanoscale Anode Functional Layer, n-AFL)’이라는 새로운 구조를 설계했다. 이 나노층은 연료극과 전해질 사이에 극도로 얇게 삽입되어 전기를 만드는 반응 면적을 크게 넓히는 역할을 한다.

 핵심은 '반응성 스퍼터링'이라는 제조 기술이다. 이 방법은 기존보다 약 20배 빠른 속도로 나노층을 제작할 수 있고, 최대 1제곱미터(㎡) 이상의 대면적에서도 균일하게 만들 수 있다. 대면적 진공 증착 장비 전문 제조 업체인 (주)아바코社와의 공동 연구를 통해 실제 양산에 적용할 수 있는 대형 장비에서 이 기술을 구현했다.

 이 기술을 적용한 연구팀의 박막형 SOFC는 기존보다 89% 높은 성능을 기록했으며, 16cm² 크기의 대면적 셀에서는 650℃에서 총 19.4W의 안정적인 고출력을 구현했다. 아울러 뛰어난 내구성도 확보했다. 

 이번 연구는 SOFC의 성능과 내구성, 대면적화, 고속 제작이라는 네 가지 과제를 동시에 해결했다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히 소형 실험실 단계를 넘어 실제 상용화가 가능한 규모로 기술을 확장했다는 점이 주목할 만하다.

 

 

 안지환 교수는 “수소 경제의 핵심인 SOFC의 성능 향상과 대량 생산을 동시에 가능하게 한 이번 연구는 학계, 연구기관, 산업계가 긴밀히 협력한 결과”라며 연구의 의의를 전했다.

 한편, 이 연구는 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업, 한국연구재단 중견연구자지원사업과 대학중점연구소사업의 지원으로 진행됐다. 

DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202502504

1. 고체 산화물 연료전지 전지(Solid Oxide Fuel Cell) : 고온에서 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 고체 전해질 기반 전기화학적 에너지 변환 장치를 말한다.

2. 삼상계면(Triple-Phase Boundary) : 전극, 전해질, 가스가 동시에 만나는 영역으로 실제 전기화학 반응이 일어나는 핵심 활성 지점을 말한다.