【브레이크뉴스 대구】진예솔 기자=국립금오공과대학교(총장 곽호상) 기계시스템공학과 신성수 교수 연구팀이 ‘고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템’ 개발 소식을 알렸다.

▲ 신성수 교수  © 금오공대

5일 금오공대 신성수 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구센터의 김형철 박사 연구팀과 공동 연구를 통해  급속 냉간 시동운전을 구현할 수 있는 이동형 전원용 고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템을 개발했다고 밝혔다.

 최근 급격한 지구 온난화로 인해 전 세계적으로 이상기후가 빈번하게 발생하면서 탄소중립을 실현할 수 있는 친환경 에너지 변환 기술에 대한 관심이 증가하고 있다.

그중에서도 연료전지는 수소에너지를 기반으로 해 이산화탄소 배출이 없는 친환경 기술로서 기존 화석연료를 대체할 수 있는 대표적인 차세대 에너지 변환 시스템으로 주목받고 있다.

특히 700℃이상의 고온에서 작동하는 ‘고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)’는 연료전지 중 가장 높은 효율을 가지며, 자유롭게 이용할 수 있고 값비싼 촉매를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

  그러나 SOFC는 높은 작동온도와 복잡한 밀봉 시스템을 필요로 하기 때문에 그동안 ‘고정형 및 건물형’ 발전 시스템으로만 이용되어왔다.

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.

또한 SOFC의 급속 시동운전에 대한 기존 연구 결과들은 성능보다는 시동 시간에 초점이 맞춰져 있었기에 실용적 성능을 요구하는 이동형 전원으로 적용이 힘든 상황이었다. 

이에 금오공대-KIST 공동연구팀은 적외선 할로겐 램프를 열원으로 하여 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 개발하여 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 결합하여 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. 

  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. 

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

The research team led by Professor Shin Sung-soo of the Department of Mechanical System Engineering at Kumoh National University of Technology (President Kwak Ho-sang) announced the development of a high-performance, low-temperature solid oxide fuel cell system.

On the 5th, Professor Sung-Soo Shin's research team at Kumoh Institute of Technology (KIST) announced that they developed a high-performance, low-temperature type solid oxide fuel cell system for mobile power sources that can realize rapid cold start-up operation through joint research with Dr. Hyung-chul Kim's research team at the Korea Institute of Science and Technology (KIST) Energy Materials Research Center. .

  Recently, as abnormal climate frequently occurs worldwide due to rapid global warming, interest in eco-friendly energy conversion technology capable of realizing carbon neutrality is increasing.

Among them, the fuel cell is an eco-friendly technology that does not emit carbon dioxide based on hydrogen energy and is attracting attention as a representative next-generation energy conversion system that can replace existing fossil fuels.

In particular, the ‘Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)’, which operates at high temperatures of 700℃ or higher, has the highest efficiency among fuel cells, is freely available, and has the advantage of not requiring the use of expensive catalysts.

   However, SOFCs have been used only as 'stationary and building' power generation systems so far because they require high operating temperatures and complex sealing systems.

Recently, a number of thin-film-based low-temperature (LT) SOFCs with high performance even at temperatures below 600 °C have been reported, but these are also based on existing high-temperature SOFC system technology, so they can be used as mobile power sources such as cold start-up and room-temperature-high-temperature cycle operation. It does not match the core characteristics it should have.

In addition, previous research results on rapid start-up operation of SOFCs focused on start-up time rather than performance, making it difficult to apply them to portable power sources that require practical performance.

Accordingly, the Kumoh Institute of Technology-KIST joint research team developed a 'high-performance LT-SOFC system' that can implement rapid cold start-up operation using an infrared halogen lamp as a heat source, and a 'high-performance LT-SOFC system' that can independently produce power using integrated stack technology of mica sealing materials and disc springs. Developed and applied 'typical compression packaging technology' to high-performance thin film-based LT-SOFC.

As a result, it succeeded in realizing an open circuit voltage of 1.124V and performance of 1.123Wcm-2 at 600℃ in 5 minutes after starting operation at room temperature. This is the world's first case of SOFC that realized cold cycling with performance of 1W or more in less than 5 minutes while reducing start-up time by about 1/10 times compared to previous ceramic fuel cell research that recorded similar performance.

Shin Sung-soo, professor at Kumoh National University of Technology, said, “In the case of the low-temperature solid oxide fuel cell system developed this time, rapid cold start-up technology and independent cell jig packaging technology were combined to perfectly realize the rapid start-up operation of a high-performance thin-film-based ceramic fuel cell.” , "This is expected to play an innovative role in the commercialization of ceramic fuel cells as it can expand the application range of solid oxide fuel cells to mobile applications as well as existing stationary power generation."

   Dr. Kim Hyeong-cheol of the KIST Center for Energy Materials Research said, “Based on this research, we plan to continuously research the rapid start-up operation technology of ceramic fuel cells. It seems to make a significant contribution.”