- 쉽고 빠른 산화물 촉매 코팅 기술로 고체산화물 연료전지 성능 3배 향상

- 고체산화물 연료전지부터 고온 수전해까지 다양하게 적용할 수 있는 원천기술 확보

- 나노과학 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced materials, IF 29.4)’ 게재

■ 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 수소융복합소재연구실 최윤석 박사가 한국과학기술원 신소재공학과 정우철 교수, 부산대학교 재료공학부 박범경 교수 연구진과의 공동연구를 통해 단 4분 만에 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상시키는 촉매 코팅 기술을 개발하는데 성공했다.

□ 연료전지는 수소경제를 이끄는 고효율의 청정에너지원으로 주목받고 있다. 그 중 발전효율이 가장 높은 고체산화물 연료전지*는 수소, 바이오가스, 천연가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 공정 중 발생하는 열을 이용한 복합발전도 가능해 활발하게 연구되고 있다.

* 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC): 전극과 전해질 모두 고체로 이루어져 700도 이상의 고온에서 운전되는 연료전지

□ 고체산화물 연료전지의 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응에 의해 결정된다. 연료극(음극)에서 일어나는 반응에 비해 공기극의 반응 속도가 느려 전체 반응 속도를 제한하기 때문이다. 이처럼 느린 속도를 극복하기 위해 활성이 높은 새로운 공기극 소재를 개발하고 있으나 아직까지는 화학적 안정성이 부족해 지속적인 연구가 필요한 상황이다.

■ 이에 연구진은 안정성이 우수해 산업계에 널리 사용되는 소재인 LSM-YSZ 복합전극*(이하 ‘복합전극’)의 성능을 한 차원 높이는데 집중했다. 그 결과, 복합전극 표면에 산소환원반응을 활발하게 하는 나노 크기의 프라세오디뮴 산화물(PrOx) 촉매 코팅 공정을 개발하고 이를 적용해 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상시켰다.

* LSM-YSZ 복합전극: 전기전도성 페로브스카이트 LSM(Lanthanum Strontium Manganite)과 산소이온 전도성 전해질인 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)로 구성되어 상호간 열적·화학적 호환성이 뛰어나 전통적으로 산업계에 널리 사용되는 공기극 소재

[그림자료] 전기화학 증착 및 SOFR 작동 중 전극의 모습

□ 연구진은 상온, 상압에서 작동하면서 복잡한 장비와 공정이 필요하지 않은 전기화학 증착법*을 도입했다. 복합전극을 프라세오디뮴(Pr) 이온이 포함된 용액에 담가 전류를 흐르게 하면, 전극 표면에서 생성된 수산화기(OH-)와 프라세오디뮴 이온이 만나 침전물의 형태로 변하고 전극에 균일하게 코팅된다. 이렇게 형성된 코팅층은 건조 과정을 거쳐 산화물 형태로 바뀌고 고온의 환경에서도 안정적으로 전극의 산소환원반응을 촉진한다. 이 코팅 공정에 들이는 시간은 단 4분에 불과하다.

* 전기화학 증착법(Cathodic Electrochemical Deposition, CELD): 전기 화학적 반응을 이용해 금속이나 금속 화합물을 전극 표면에 증착하는 방법

□ 또, 연구진은 코팅된 나노 촉매가 산소 교환, 이온 전도를 촉진하는 원리를 규명해 촉매코팅 방식으로 복합전극의 낮은 반응 속도를 해결할 수 있다는 학술적 근거를 제시했다.

■ 개발된 촉매를 적용한 복합전극과 기존 복합전극을 400시간 이상 구동해 비교한 결과, 전기화학 반응 중 발생하는 저항이 10배 낮아진 것을 확인했다. 또한 이를 적용한 연료전지는 650도의 낮은 온도에서도 기존 연료전지 대비 3배 높은 전력 생산 성능(142 mW/cm→418 mW/cm2)을 나타냈다. 이는 학계에 보고된 LSM-YSZ 복합전극 적용 고체산화물 연료전지 성능 중 최고 수준이다.

[그림자료] 전기화학 증착 시간에 따라 변해가는 산화물 나노 촉매의 형상을 표현

■ 공동 교신저자인 최윤석 박사는 “이번에 개발한 전기화학 증착기술은 기존 고체산화물연료전지 제작 공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리 공정으로 경제적으로 산화물 나노 촉매를 도입해 산업적 활용성이 높다.”며, “고체산화물 연료전지뿐만 아니라 수소 생산을 위한 고온 수전해(SOEC) 등 다양한 에너지 변환장치에 적용 가능한 원천기술을 확보했다.”고 밝혔다.

[사진자료] 공동 연구진 사진(오른쪽 끝, 최윤석 선임연구원)

□ 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 ‘Advanced Materials(IF 29.4, 나노과학 분야상위 3% 이내)’지에 게재됐으며, 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부 개인기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.