고체산화물연료전지 성능 2배로 끌어올린다

에너지기술연구원, 공기극 촉매 만드는 새 기술 개발

초음파분산 습식침투공정 장비. 에너지기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 고체산화물연료전지(SOFC) 성능을 2배 이상 향상시키는 기술을 개발했다. 연구진은 현재 쓰이는 SOFC에 적용해 성능을 끌어올릴 수 있다고 설명했다.

한국에너지기술연구원은 연료전지연구실 이승복 박사, 송락현 박사 연구진이 SOFC의 성능을 향상시킬 수 있는 초음파분산 습식침투법 공정 기술을 개발했다. 연구진은 이 기술로 백금과 같은 고가의 소재를 사용하지 않고도 SOFC 성능을 2배 이상 향상시켰다.

SOFC 시스템 전체 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 연료극, 전해질, 공기극으로 구성된 단위전지다. 그 중 공기극에서의 느린 산소환원반응은 고체산화물연료전지 단위전지의 성능을 감소시키는 가장 주요한 원인이다.

초음파분산 습식침투공정은 미세한 떨림으로 첨가하는 액체 방울의 크기를 마이크로미터 (약 10만분의 1m) 단위로 감소시킬 수 있는 초음파장치를 이용해 정량의 균일한 촉매층을 도포시킬 수 있는 공정이다.

초음파분산 습식침투공정을 통해 기존 SOFC 공기극 물질인 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(LSCF)층 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.

한국에너지기술연구원은 연료전지연구실 이승복 박사, 송락현 박사 연구진이 만든 초음파 습식침투 장비. x-y축 직교로봇에 의해 정확한 위치에 액적 크기가 최소화된 나노촉매를 분사시킬 수 있다. 에너지기술연구원 제공

이승복 박사는 "초음파 분산 습식침투법은 SOFC 셀 대면적화에 용이하고, 신규개발 셀 뿐만 아니라 기존 제작된 셀에 새로운 나노 촉매 기능층을 형성할 수 있는 상용화에 적합한 기술"이라고 말했다. 이 박사는 이어서 "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'에 게재됐다.

한편, 연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 전기를 생산한다. 제3세대 연료전지라 불리는 SOFC는 600~1000℃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.

[e-mail] 김만기 기자