에기연, 고체산화물 연료전지 성능 4분만에 3배 ↑…세계 최고 수준

KAIST·부산대 공동, 나노촉매 코팅 원천기술 개발

(지디넷코리아=박희범 기자)고체산화물 연료전지 성능을 4분만에 3배이상 급속 향상 시킬 수 있는 나노촉매 코팅 원천기술이 처음 개발됐다.

한국에너지기술연구원(KIER)은 수소융복합소재연구실 최윤석 박사가 KAIST·부산대학교와 공동으로 4분 만에 고체산화물 연료전지 성능을 3배 이상 향상시키는 촉매 코팅 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

고체산화물 연료전지 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응 속도에 의해 결정된다. 이유는 연료극(음극)에서 일어나는 반응에 비해 공기극의 반응 속도가 느려 전체 반응 속도를 제한한다.

KIER 수소융복합소재연구실 연구진. 맨 오른쪽이 최윤석 선임연구원이다.(사진=KIER)

최윤석 선임연구원은 "산업계에서 널리 쓰는 'LSM-YSZ 복합전극'(이하 복합소재) 소재에 나노 크기의 프라세오디뮴 산화물(PrOx)을 코팅하는 방법으로 이 문제를 해결했다"고 말했다.

이 복합전극은 전기전도성 페로브스카이트 LSM(Lanthanum Strontium Manganite)과 산소이온 전도성 전해질인 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)로 구성된 공기극 소재다.

연구팀은 이 복합전극을 프라세오디뮴(Pr) 이온이 포함된 용액에 담가 전류를 흘렸다. 

최윤석 선임연구원은 "전극 표면에서 생성된 수산화기(OH-)와 프라세오디뮴 이온이 만나면 침전물 형태로 변하면서 전극에 균일하게 코팅한다"고 설명했다.

이렇게 형성된 코팅층은 건조 과정을 거쳐 산화물 형태로 바뀌고 고온의 환경에서도 안정적으로 전극의 산소환원반응을 촉진한다.

최윤석 선임연구원은 "상온, 상압에서 작동하면서 복잡한 장비와 공정이 필요하지 않은 전기화학 증착법을 도입했다"며 "이 코팅 공정에 들이는 시간은 단 4분에 불과했다"고 말했다.

연구팀은 이 촉매를 적용한 복합전극과 기존 복합전극을 400시간 이상 구동한 결과, 전기화학 반응 중 발생하는 저항이 10배 이상 낮아진 것을 확인했다. 

또 이를 적용한 연료전지는 650℃에서도 기존 연료전지 대비 3배 높은 전력 생산 성능(142㎽/㎠ → 418㎽/㎠)을 나타냈다. 이는 학계에 보고된 'LSM-YSZ 복합전극' 적용 고체산화물 연료전지 성능 중 최고 수준이다.

나노촉매 코팅 복합 전극 개략도. 임피던스 및 전지 성능을 측정했다.

최 선임연구원은 “이번에 개발한 전기화학 증착기술은 기존 고체산화물 연료전지 제작 공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리 공정"이라며 "고체산화물 연료전지뿐만 아니라 수소 생산을 위한 고온 수전해(SOEC) 등 다양한 에너지 변환장치에 적용 가능한 원천기술"이라고 말했다.

최 선임연구워는 또 "현재 0.5㎠의 셀로 시험한 것"이라며 "앞으로 가로, 세로 10㎝ 크기의 셀에 적용할 계획"이라고 덧붙였다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스트 머티리얼즈'에 게재됐다. 

예산은 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부 개인기초연구사업의 지원을 받았다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)