• 최종편집 : 2020.10.28 수 19:34
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에너지硏, 연료전지 성능 2배 이상 향상 기술개발…상용화 적용도 기대초음파분산 습식침투법 이용 나노촉매 균질도포 기술 개발
낮은 작동온도로 고체산화물연료전지의 내구성 향상 기대
셀 대면적화에 용이하고, 신규개발 셀 뿐 아니라 기존 제작된 셀에도 적용 가능

국내 연구진이 고체산화물연료전지 성능을 2배 이상 향상시키는 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 연료전지연구실 이승복 박사, 송락현 박사 연구진은 초음파분산 습식침투법 공정을 사용해 백금과 같은 고가의 소재를 사용하지 않고도 고체산화물연료전지 성능을 2배 이상 향상시켰다고 14일 밝혔다.

이번 연구에서 사용한 초음파 습식침투 장비를 나타낸 모식도. 본 장비를 이용하여 x-y축 직교로봇에 의해 정확한 위치에 액적 크기가 최소화된 나노촉매를 분사시킬 수 있다.

연료전지는 연료(수소와 산소)의 화학반응으로 전기를 생산하는 장치로, 제3세대 연료전지라 불리는 고체산화물연료전지는 600~1,000℃의 고온에서 작동돼 기존의 연료전지 중 전력 변환효율이 60% 이상으로 가장 높다.

또한 LNG·수소·암모니아 등 다양한 연료의 사용이 가능해 중대형 발전·건물용·가정용 등 다양한 적용분야를 갖는 미래의 신 에너지기술이다.

고체산화물연료전지 시스템 전체 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 연료극·전해질·공기극으로 구성된 단위전지다. 그 중 공기극에서의 느린 산소환원반응은 고체산화물연료전지 단위전지의 성능을 감소시키는 가장 주요한 원인이다.

※산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR): 산소환원반응이란 외부에서 유입된 산소가 전자를 만나 환원되는 반응으로, 1/2O2(gas) + 2e- → O2- 과 같은 식으로 표현할 수 있다. 환원된 산소 이온은 고체산화물연료전지 고체전해질 내부를 통과하며 이동한다.
고체산화물 연료전지의 여러 반응 중 가장 느린 속도의 반응에 의해 전체 반응 속도가 정해진다. 따라서, 공기극에서의 산소환원 반응속도가 느릴 경우, 전체 고체산화물연료전지의 성능을 감소시키는 역할을 한다.
장비사진

그동안 많은 연구에서는 외부에서 유입된 산소가 전자를 만나는 산소환원반응을 향상시키기 위해 촉매를 용액에 녹여 공기극 층에 첨가하는 습식 침투 방법을 사용해왔다. 그러나 기존 마이크로피펫을 이용한 습식 침투 방법은 첨가되는 액체 방울의 크기가 1mm 이상으로 커 촉매가 공기극 표면에 뭉쳐 유입되는 산소를 막아 성능을 감소시키는 영향을 나타냈다.

이를 극복하기 위해 연구진은 초음파분산 습식침투공정(Ultrasonic spraying infiltration)기법을 개발했다. 초음파분산 습식침투공정은 미세한 떨림으로 첨가하는 액체 방울의 크기를 마이크로미터 (약 10-5m) 단위로 감소시킬 수 있는 초음파장치를 이용해 정량의 균일한 촉매층을 도포시킬 수 있는 공정이다.

초음파분산 습식침투공정을 통해 기존 SOFC 공기극 물질인 LSCF층 위에 산소환원반응 성능은 우수하지만, SOFC 전해질과의 열팽창계수 차이로 인해 공기극 소재로 활용되지 못하던 SSC 페로브스카이트 산화물을 촉매 물질로 첨가했다.

(왼쪽=기존 SOFC 공기극으로 주로 사용하는 LSCF/GDC 복합체를 사용한 경우 대비 초음파 분산 습식침투법을 사용해 SSC 나노 촉매를 첨가한 경우 2.3배 전력 밀도 성능 향상 효과를 확인했다. (오른쪽=첨가된 SSC 나노촉매층이 LSCF 공기극에 epitaxial하게 성장한 것을 확인한 투과전자현미경(TEM) 이미지.

초음파 습식 침투공정을 통해 기존 SOFC 공기극 물질인 LSCF층 위에 성장한 SSC 나노촉매층을 확인했고, 그 결과 기존 LSCF/GDC 복합체 공기극 사용 대비 약 2.3배 이상의 성능향상 효과를 보였다. 또한, 투과전자현미경 분석을 통해 SSC 나노촉매층이 LSCF 공기극 위에 동일 결정 구조로 성장함을 확인했다. 동일 결정구조로 성장한 SSC 나노촉매층은 입자성장이 억제될 뿐만 아니라 LSCF와 우수한 접착력을 통해 장기 내구성에서 우수함을 나타낸다.

이승복 연료전지연구실 책임연구원은 “초음파 분산 습식침투법은 SOFC 셀 대면적화에 용이하고, 신규개발 셀 뿐 만 아니라 기존 제작된 셀에 새로운 나노 촉매 기능층을 형성할 수 있는 상용화에 적합한 기술”이라며 “동일 결정구조로 성장한 나노촉매층은 향후 SOFC 성능 향상을 위한 중요한 연구 결과로 활용 가능할 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 ‘기후변화대응기술사업’ 및 한국에너지기술연구원 주요사업 ‘건물용 연료전지를 위한 저가 고성능 핵심원천 소재 개발’ 사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 『저널 오브 머티리얼스 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A), IF: 11.301』에 게재됐다.

김영환 기자  yyy9137@naver.com

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