고체산화물 연료전지 성능, 단 4분 만에 3배 향상시킨다

전기화학 증착 시간에 따라 변해가는 산화물 나노 촉매의 형상을 표현한 이미지. (자료제공: KIER)

한국에너지기술연구원(KIER, 원장 이창근)은 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 성공했다고 6월 12일 밝혔다.

연료전지는 수소경제를 이끄는 고효율의 청정에너지원으로 주목받고 있다. 그 중 발전효율이 가장 높은 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 수소, 바이오가스, 천연가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 공정 중 발생하는 열을 이용한 복합발전도 가능해 활발하게 연구되고 있다.

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 복합전극의 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.

연구진은 상온, 상압에서 작동하면서 복잡한 장비와 공정이 필요하지 않은 전기화학 증착법을 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.

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/㎠)을 나타냈다. 이는 학계에 보고된 LSM-YSZ 복합전극 적용 고체산화물 연료전지 성능 중 최고 수준이다.

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.

이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부 개인기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Materials’지에 게재됐다. 

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]