[과학] 3D 프린팅 경량 연료전지 출시

일전, 덴마크 공과대학 연구팀이 연료전지 분야에서 혁신적인 성과를 달성했다. 연구진은 최초로 3D 프린팅(打印) 기술과 특수 기하학적 구조 설계를 결합하여 완전히 새로운 경량 연료전지를 개발했으며 항공우주 적용에 필요한 비출력(比功率) 기준을 사상 처음으로 충족시켰다. 이는 항공우주 분야의 친환경 에너지 적용에 새로운 길을 열 것으로 기대된다. 관련 연구 결과는 최신 《네이처·에너지》 저널에 발표되였다.

기존 연료전지는 금속 부품으로 밀봉된 상태에서 련결되여 있으며 시스템 총 중량의 75% 이상을 차지한다. 이는 기동성을 크게 제한하고 항공우주 등 분야의 적용을 제한한다. 만약 일반 제트 려객기(喷气式客机)의 70 톤 연료를 같은 용량의 리티움 배터리로 대체할 경우 무게가 3,500 톤까지 증가해 리륙조차 불가능해진다.

이번에 연구팀은 완전히 도자기로 제작되고 3D 프린팅으로 제조된 새로운 연료전지를 설계했다. 고체 산화물 전지 구조를 재설계해 ‘삼중 주기 최소 곡면(三循环极小曲面)’ 구조를 채택했으며 3D 프린팅 기술로 전체 도자기 연료전지를 성공적으로 제조했다.

이 ‘단일체 자이로이드(陀螺) 고체 산화물 전지’는 견고하고 가벼우며 표면적이 극대화되여 그람당 1 와트 이상의 출력을 낼 수 있으며 항공우주 적용에 필요한 비출력 목표를 최초로 달성했다.

무게 장점 외에도 새로운 설계는 운전 성능에서도 뛰여난 모습을 보였다. 다공(多孔) 구조는 가스의 효률적인 흐름과 열 균일 분포를 촉진하여 기계적 안정성을 크게 향상시켰다. 전해질(电解) 모드에서 이 전지의 수소 생산 속도는 기존 설계의 약 10배에 달했다.

연구팀은 100 섭씨도의 급격한 온도 변화를 포함한 극한 조건에서도 발전과 전해질 모드 간 반복 전환 테스트를 진행했으며 전지는 구조적 손상 없이 안정성을 유지했다.

연구팀은 “이러한 내구성은 우주 탐사에 특히 중요하다.”고 설명했다.  미국 항공우주국의 ‘화산 산소 현지 자원 활용 실험’의 경우 현재 6 톤 이상의 대형 스택(堆叠) 장치가 필요하지만 새로운 설계는 1 톤 미만의 무게로 류사 성능 구현이 가능해 발사 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

또한 이 연료전지 제조 공정도 간소화되여 금속 부품과 밀봉 재료 없이 5단계만으로 단일체 도자기 설계가 완성된다.

/과학기술일보

编辑：최화