한국에너지기술연구원은 연료전지연구실 이승복 박사, 송락현 박사 연구진이 초음파분산 습식침투법 공정을 사용해 백금과 같은 고가의 소재를 사용하지 않고도 고체산화물연료전지 성능을 2배 이상 향상시켰다고 14일 밝혔다.
고체산화물연료전지(SOFC·Solid Oxide Fuel Cell)이란 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물(산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂) 등)을 전해질로 사용하는 연료전지다.
연료전지는 연료의 화학반응으로 전기를 생산하는 장치이며 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.
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 1㎜ 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 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.
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.
연료전지연구실 이승복 책임연구원은 “초음파 분산 습식침투법은 SOFC 셀 대면적화에 용이하고 신규개발 셀 뿐만 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.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)에 게재됐다.
/대전=박희윤기자 hypark@sedaily.com
