에너지연 "고체산화물 연료전지 성능 단 4분 만에 3배 향상"

연구 내용 개략도.(에기연 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 고체산화물 연료전지 성능을 단 4분 만에 3배 높이는 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원(KIER) 수소융복합소재연구실 최윤석 박사는 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 정우철 교수, 부산대 재료공학부 박범경 교수 연구진과 단 4분 만에 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상하는 촉매 코팅 기술 개발에 성공했다고 12일 밝혔다.

고체산화물 연료전지의 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응에 의해 결정되는데, 연료극(음극)에서 일어나는 반응에 비해 공기극의 반응 속도가 느려 전체 반응 속도를 제한하기 때문이다.

이에 연구진은 안정성이 우수해 산업계에 널리 사용되는 소재인 LSM-YSZ 복합전극의 성능을 한 차원 높이는 데 집중했다.

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

그 결과 복합전극 표면에 산소환원반응을 활발하게 하는 나노 크기의 프라세오디뮴 산화물(PrOx) 촉매 코팅 공정을 개발하고 이를 적용해 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상시켰다.

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

개발된 촉매를 적용한 복합전극과 기존 복합전극을 400시간 이상 구동해 비교한 결과, 전기화학 반응 중 발생하는 저항이 10배 낮아진 것을 확인했다.

또 이를 적용한 연료전지는 650도의 낮은 온도에서도 기존 연료전지 대비 3배 높은 전력 생산 성능을 보였다.

이는 학계에 보고된 LSM-YSZ 복합전극 적용 고체산화물 연료전지 성능 중 최고 수준이다.

왼쪽부터 KAIST 신소재공학과 남성우 박사과정 학생, 김진욱 박사, 정우철 교수, 부산대 신소재공학과 박범경 교수, 한국에너지기술연구원 최윤석 선임연구원이 기념촬영을 하고 있다.(에기연 제공)/뉴스1

최윤석 박사(교신저자)는 “이번에 개발한 전기화학 증착기술은 기존 고체산화물 연료전지 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 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'에 게재됐다.

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