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에기연 “고체산화물 연료전지 성능, ‘4분’ 만에 3배 향상 가능”

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고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell·이하 SOFC) 성능을 단 4분 만에 3배까지 끌어올릴 수 있는 촉매 코팅 기술이 국내에서 개발됐다.


한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 수소용복합소재연구실 최윤석 박사가 KAIST 신소재공학과 정우철 교수, 부산대 재료공학부 박범경 교수 연구진과 공동연구로 이 같은 성과를 거뒀다고 12일 밝혔다.


연료전지는 수소경제를 주도하는 고효율 청정에너지원으로 주목받는다. 이중 SOFC는 전극과 전해질 모두 고체로 이뤄져 700도 이상의 고온에서 운전되는 연료전지로, 수소·바이오가스·천연가스 등 각종 연료를 사용할 수 있는 데다 공정 중 발생하는 열을 이용한 복합발전도 가능해 연구가 활발하게 진행된다.


에기연 “고체산화물 연료전지 성능, ‘4분’ 만에  3배 향상 가능” 나노촉매가 코팅된 상용 복합전극 개략도. 한국에너지기술연구원 제공
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SOFC의 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응에 의해 결정된다. 연료극(음극)에서 일어나는 반응에 비해 공기극의 반응 속도가 느려, 전체 반응 속도를 제한하기 때문이다. 그간 연구자들은 SOFC의 느린 속도를 극복하기 위해 활성이 높은 새로운 공기극 소재 개발에 매진했지만, 화학적 안정성 부족으로 추가적 연구가 필요했다.


공동연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 안전성이 우수해 산업계에서 널리 사용되는 LSM-YSZ 복합전극(이하 복합전극)의 성능을 한 차원 높이는 데 집중했다.


이 결과 복합전극 표면에 산소환원반응을 활발하게 하는 나노 크기의 프라세오디뮴 산화물(PrOx) 촉매 코팅 공정 개발에 성공, 이를 적용해 SOFC의 성능을 대폭 향상할 수 있게 됐다


연구 과정에서 공동연구팀은 상온·상압에서 작동하면서 복잡한 장비와 공정이 필요하지 않은 전기화학 증착법(전기 화학적 반응을 이용해 금속 또는 금속 화합물을 전극 표면에 증착하는 방법)을 도입했다.


복합전극을 프라세오디뮴(Pr) 이온이 포함된 용액에 담가 전류를 흐르게 하면, 전극 표면에서 생성된 수산화기(OH-)와 프라세오디뮴 이온이 만나 침전물의 형태로 변해 전극에 균일하게 코팅될 수 있게 하는 원리다.


이 같은 방식으로 형성된 코팅층은 건조 과정을 거쳐 산화물 형태로 바뀌고, 고온의 환경에서도 안정적으로 전극의 산소환원반응을 촉진한다. 이 코팅 공정에 들이는 시간은 단 4분에 불과하다.


에기연 “고체산화물 연료전지 성능, ‘4분’ 만에  3배 향상 가능” 공동연구에 참여한 연구진. (왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 남성우 박사과정 학생, 김진욱 박사, 정우철 교수, 부산대 신소재공학과 박범경 교수, 한국에너지기술연구원 최윤석 선임연구원. 한국에너지기술연구원 제공

특히 공동연구팀은 코팅된 나노 촉매가 산소 교환, 이온 전도를 촉진하는 원리를 규명해 촉매 코팅 방식으로 복합전극의 낮은 반응 속도를 해결할 수 있다는 학술적 근거를 제시했다.


개발된 촉매를 적용한 복합전극과 기존 복합전극을 400시간 이상 구동해 비교한 결과에서 전기화학 반응 중에 발생하는 저항이 10배 낮아진 것도 확인했다.


또 이를 적용한 연료전지가 650도의 낮은 온도에서도 기존 연료전지보다 전력 생산 성능이 3배(142mW/㎠ → 418mW/㎠) 높아졌다고 설명했다. 이는 학계에 보고된 LSM-YSZ 복합전극 적용 SOFC 성능 중 최고 수준이다.


공동 교신저자인 최윤석 박사는 “이번에 개발한 전기화학 증착기술은 기존 SOFC 제작 공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리 공정”이라며 “경제적 측면에서 산화물 나노 촉매를 도입해 산업적으로 널리 활용될 가능성이 높다”고 평가했다.


그러면서 “공동연구팀은 SOFC 뿐 아니라 수소 생산을 위한 고온 수전해(SOEC) 등 다양한 에너지 변환장치에 적용 가능한 원천기술을 확보했다는 데 이번 연구에 의의를 둔다”고 강조했다.



한편 공동연구팀은 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부 개인 기초연구사업의 지원을 받아 연구를 수행했다. 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 ‘Advanced Materials’에 게재됐다.




대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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