고 체적 전력 밀도의 금속지지체형 고체산화물연료전지 개발

Abstract

고체산화물연료전지(SOFC)는 고온 작동형 연료전지로 효율이 높고 다양한 연료를 사용할 수 있으며 귀금속 촉매가 필요하지 않다는 장점을 기반으로 각광을 받고 있는 대체 에너지원 중 하나이다. 그러나 고체산화물연료전지는 모든 층이 세라믹 물질로 이루어져 있어 기계적 강도가 낮다는 한계점 때문에 정치형 발전 분야에 국한되어 활용되고 있는 실정이다. 금속지지체형 고체산화물연료전지(MS-SOFC)는 기존 세라믹지지체를 금속지지체로 변환한 차세대 연료전지로 높은 기계적 강도를 가지며 산화/환원 사이클 및 열 사이클에 강건하여 휴대용 및 운송 분야에도 활용될 수 있을 것이라는 기대를 받고 있다. 그러나 정치형 발전 분야에서 벗어나 휴대용 및 운송 분야에 활용되기 위해서는 금속지지체형 고체산화물연료전지의 높은 체적 전력 밀도가 달성되어야 한다. 본 연구에서는, KAIST에서 기 개발된 금속지지체형 고체산화물연료전지의 체적 전력 밀도를 향상시키는 것을 그 목표로 하였다. 단위 전지의 두께를 줄이기 위하여 기존 200 μm 두께의 금속 기판 대신 100 μm 두께의 금속 기판을 도입하였으며 열처리 공정에 알리코 자석을 도입함으로써 표면 열 응력에 의한 셀의 뒤틀림 현상을 성공적으로 억제하였다. 또한, 단위 전지의 전기화학적 성능을 높이기 위하여 오믹 저항을 감소시키는 연구 역시 수행되었다. 연료극기능층의 두께를 줄임으로써 오믹 저항을 기존 대비 60 % 수준으로 감소시키는데 성공하였으며 이를 통해 기존 대비 30 % 이상의 전기화학적 성능 증대를 이루었다. 결론적으로, 앞선 두가지 연구를 통해 금속지지체형 고체산화물연료전지 단위 전지의 체적 전력 밀도를 95 % 이상 향상시키는 것에 성공하였다.