[쿠키과학]친환경 고체산화물 연료전지 성능 "3배 향상"

연료전지는 원료의 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 친환경 에너지로 각광받으며 활용처를 넓히고 있다.

이중 고체산화물(SOFC) 연료전지는 다른 연료전지보다 작동시간과 수명이 길고 공해도 적으면서 발전효율은 가장 높다. 또 공정 중 발생하는 열로 복합발전까지 가능한 것도 장점이다.

그러나 고체산화물 연료전지의 성능은 양극에서 일어나는 산소환원반응에 의해 결정되는데, 이 때 음극에서 일어나는 반응보다 양극의 반응속도가 느려 전체적으로 성능이 떨어지는 문제가 있다.

이를 극복하려면 활성이 높은 새로운 양극 소재가 필요하지만, 기존 연구에서는 화학적 안정성이 부족해 개선이 필요했다.

고체산화물 연료전지 성능 3배 향상

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 수소융복합소재연구실 최윤석 박사팀이 KAIST 신소재공학과 정우철 교수, 부산대 재료공학부 박범경 교수와 공동연구로 4분 만에 고체산화물 연료전지의 성능을 3배 높이는 촉매 코팅기술을 개발했다.

(왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 남성우 박사과정, 김진욱 박사, 정우철 교수, 부산대 신소재공학과 박범경 교수, 한국에너지기술연구원 최윤석 선임연구원.

공동연구팀은 높은 안정성으로 산업계에 널리 사용되는 ‘LSM-YSZ 복합전극의 성능을 높이는데 집중했다. 

이를 통해 복합전극 표면에 산소환원반응이 활발한 나노크기 프라세오디뮴산화물 촉매 코팅 공정을 개발, 고체산화물 연료전지 성능을 대폭 향상시키는데 성공했다.

아울러 공동연구팀은 상온 상압에서 작동하며 복잡한 장비와 공정이 필요하지 않은 전기화학 증착법을 도입했다. 

전기화학 증착 및 SOFR 작동 중 전극 모습. 한국에너지기술연구원

또  공동연구팀은 코팅된 나노촉매가 산소 교환과 이온 전도를 촉진하는 원리를 규명, 촉매 코팅방식으로 복합전극의 낮은 반응속도를 해결할 수 있는 학술적 근거를 제시했다.

이렇게 개발한 촉매를 적용한 복합전극과 기존 복합전극을 400시간 이상 구동하며 비교한 결과 전기화학 반응 중 발생하는 저항은 1/10로 낮아졌고, 상대적으로 낮은 온도에서 기존 연료전지보다 3배 높은 전력생산 성능을 기록했다.

전기화학 증착기술로 제작한 산화물 나노촉매가 코팅된 상용 복합전극, 매커니즘 규명을 위한 임피던스 분석모델과 고체산화물 연료전지 성능 측정 결과. 한국에너지기술연구원

최 박사는 “이번에 개발한 전기화학 증착기술은 기존 고체산화물 연료전지 제작공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리 공정으로 산업적 활용성이 높다”며 “고체산화물 연료전지뿐 아니라 수소 생산을 위한 고온 수전해(SOEC) 등 다양한 에너지 변환장치에 적용 가능한 원천기술”이라고 설명했다.

국제학술지 'Advanced Materials' 표지로 선정된 연구 모식도. 전기화학 증착시간에 따라 변하는 산화물 나노촉매 형상을 표현한 그림. 한국에너지기술연구원

이재형 기자 jh@kukinews.com