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연료전지 공기극 대면적 제조 기술 개발, 제조공정시간도 1/5로 뚝한국에너지기술연구원
▲나노입자 산화물 촉매 제조공정 시간 80% 단축시킨 대면적 공기극 기술 개발
▲반복적인 열처리 없이 초음파분무 습식침투 공정으로 산화물 촉매 나노입자층 제조
▲25c㎡ 대면적에 상용 공기극 소재 나노입자층 제조 기술 확보
▲공기극 반응 활성화 면적극대화ㆍ제조공정 시간 단축 통해 성능, 내구성, 경제성 확보

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 고온에너지전환연구실 이승복, 홍종은 박사 연구진이 고체산화물 연료전지의 성능과 내구성은 유지하면서, 기존 습식침투공정 대비 공정시간은 1/5 수준으로 단축시키는 공기극 제조 기술을 개발했다.

※고체산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)=산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물(산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂) 등)을 전해질로 사용하는 연료전지. 600~1,000℃의 고온에서 작동해 기존 연료전지 중 전력 변환효율이 60% 이상으로 가장 높고 LNG·암모니아·메탄올 등 다양한 연료의 사용이 가능해 분산발전·건물용·가정용 등 적용분야가 다양하다.

연구진이 개발한 기술은 초음파분무 습식침투 공정에 요소(urea) 첨가제를 사용한 용액을 이용한 기법이다.

초음파분무 습식침투 공정 적용 습식 침투 공정 사진

이 기술로 기존 습식침투공정의 단점인 반복적인 하소 공정을 최종 단계에서 1회만 실시하도록 공정을 단축키면서 조성과 미세구조가 균일한 나노입자 공기극 층을 대면적으로 형성해 상용 수준의 성능과 장기 안정성을 구현했다.

※하소=습식침투 용액 내 용해된 양이온 전구체들의 균일 혼합물을 고온으로 가열해 단일 결정구조를 갖는 산화물 입자를 형성하는 열처리 과정이다.

고체산화물 연료전지의 성능을 결정하는 주요 인자는 공기극에서 발생하는 산소환원반응이다. 이에 공기극의 산소환원반응을 향상시키기 위해 LSCF 상용 공기극 소재보다 우수한 촉매 특성을 갖는 새로운 조성을 개발하거나 상용 소재를 나노구조로 형성해 유효반응 영역을 극대화시키기 위한 많은 노력들이 진행되고 있다.

※산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)=공기극에서 외부로부터 유입된 산소가 전자를 만나 환원되는 반응. 환원된 산소 이온은 고체전해질을 통해 확산해 연료극으로 이동한다. 고체산화물연료전지의 성능은 연료극·전해질·공기극을 통해 발생하는 반응들의 전체 반응 속도에 의해 결정된다. 따라서 전해질이나 연료극에서 발생하는 반응들의 속도보다 공기극의 산소환원반응속도가 느릴 경우, 전체 고체산화물연료전지의 성능을 감소시키게 된다.
※LSCF=ABO3 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물에서 A-자리에 란탄늄(Lanthanum, La), 스트론튬(Strontium, Sr)이, B-자리에 코발트(Cobalt, Co)와 철(Iron, Fe)이 첨가된 (La1-xSrx)(Co1-yFey)O3-δ 조성 산화물이다.
초음파분무 습식침투 장치에 습식 침투 공정용 단전지 장착 사진

그 중 습식침투공정은 전해질이나 공기극 소재로 이뤄진 다공성 구조 표면에 나노 크기의 공기극 촉매 입자를 형성해 성능을 향상시킬 수 있고 분말 형태의 공기극 코팅보다 소재 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.

하지만 습식침투 공정은 원하는 촉매 담지량에 도달하기 위해서 습식침투건조고온 하소의 과정을 수 회 반복해야 하는 불편함이 있다.

이를 극복하기 위해 연구진은 요소를 침전제(Precipitating agent)로 첨가한 침투용액을 이용해 반복적인 고온하소 열처리 공정이 생략된 초음파분무 습식침투 기법을 개발했다.

※초음파분무 습식침투(Ultrasonic spraying infiltration)=초음파분무 습식침투공정은 미세한 떨림으로 첨가하는 침투용액 방울의 크기를 마이크로미터(약 10-6m) 단위로 감소시킬 수 있는 초음파장치를 이용해 대면적의 전극에도 정량의 촉매를 균일하게 담지 시킬 수 있다.

연구진은 LSCF 상용 공기극 소재를 이루는 전구체 금속이온들과 요소를 용해시킨 침투용액을 초음파분무 공정으로 다공성 구조 표면에 고르게 분산시켰다.

분산된 침투용액은 100℃에서 건조되면서 요소의 가수분해반응에 의해 암모니아와 이산화탄소를 발생시켜 용액 내 pH가 서서히 증가하고, 금속이온들은 이온교환반응을 통해 금속 수산화물이나 수산화탄산염과 같은 미세한 침전물을 형성해 다공성 구조 표면에 고르게 부착된다.

표면에 부착된 침전물은 촉매입자의 전구체(precursor) 역할을 해 침투용액이 완전히 건조될 때까지 일정하게 유지되고 이후 원하는 촉매량을 담지할 때까지 습식침투와 건조만 반복한 후 최종 단계에서만 하소를 진행해 단일 결정구조를 갖는 LSCF 공기극을 형성할 수 있다.

연구진이 개발한 기술은 기존 습식침투공정 대비 반복적인 하소 과정을 생략해 공정시간을 80% 이상 단축시킬 수 있다. 또한 비교적 낮은 하소온도를 적용해 나노크기의 LSCF 입자들로 이뤄진 균일한 공기극 층을 형성할 수 있어 대면적화에 용이하다는 장점이 있다.

연구진은 25cm2 대면적의 다공성 GDC 전해질 층에 요소를 첨가한 LSCF 침투용액을 초음파분무로 5회 습식침투-건조시킨 후 900℃에서 하소해 균일한 조성과 나노입자로 이뤄진 LSCF 공기극 층(300nm)이 형성되었음을 확인했다.

연구진이 개발한 공기극을 적용한 단위전지는 700℃ 작동온도에서 0.8 W/cm2 이상의 출력밀도와 1,200시간 동안 안정한 성능을 보였다.

또한 고온 열처리 시 전해질과 공기극 물질 간의 화학적 반응에 의해 불순물이 생성되어 성능 및 내구성을 감소시키지 않도록 적용하는 반응방지막 층도 생략할 수 있어 고체산화물 연료전지의 내구성과 경제성을 향상 가능하며 상용화 가능성이 높을 것으로 기대되는 기술이다.

연구책임자인 이승복 박사는 “요소를 첨가한 침투용액을 이용한 초음파분무 습식침투법은 기존 습식침투공정 대비 SOFC 공기극 제조 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있고 셀 대면적화에 용이해 상용화에 적합한 기술”이라며 “저온 하소공정으로 형성된 단일 결정구조의 나노촉매 공기극 층은 향후 SOFC 성능과 내구성 향상을 위한 중요한 연구 결과로 활용 가능할 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발 사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 화학분야 세계적 학술지인 ‘Journal of Energy Chemistry(IF 9.676)’ 에 게재됐다. 

김영환 기자  yyy9137@naver.com

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