에너지연, 쉽고 빠른 산화물 촉매 코팅 기술 개발
한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 수소융복합소재연구실 최윤석 박사가 한국과학기술원 신소재공학과 정우철 교수, 부산대학교 재료공학부 박범경 교수 연구진과의 공동연구를 통해 단 4분 만에 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상시키는 촉매 코팅 기술을 개발하는데 성공했다.
(왼쪽 위에서 시계 방향) ▲KAIST 신소재공학과 남성우 박사과정 학생, 김진욱 박사▲ KAIST 정우철 교수, 부산대학교 신소재공학과 박범경 교수 ▲공동 연구진 사진 ▲한국에너지기술연구원 최윤석 선임연구원.
연구 배경
고체산화물 연료전지의 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응에 의해 결정된다. 연료극(음극)에서 일어나는 반응에 비해 공기극의 반응 속도가 느려 전체 반응 속도를 제한하기 때문이다. 이처럼 느린 속도를 극복하기 위해 활성이 높은 새로운 공기극 소재를 개발하고 있으나 아직까지는 화학적 안정성이 부족해 지속적인 연구가 필요한 상황이다.
연구 내용
연구진은 안정성이 우수해 산업계에 널리 사용되는 소재인 LSM-YSZ 복합전극(이하 ‘복합전극’)의 성능을 한 차원 높이는데 집중했다. 그 결과, 복합전극 표면에 산소환원반응을 활발하게 하는 나노 크기의 프라세오디뮴 산화물(PrOx) 촉매 코팅 공정을 개발하고 이를 적용해 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상시켰다.
그림 1. 전기화학 증착 및 SOFR 작동 중 전극의 모습
연구진은 상온, 상압에서 작동하면서 복잡한 장비와 공정이 필요하지 않은 전기화학 증착법을 도입했다. 복합전극을 프라세오디뮴(Pr) 이온이 포함된 용액에 담가 전류를 흐르게 하면, 전극 표면에서 생성된 수산화기(OH-)와 프라세오디뮴 이온이 만나 침전물의 형태로 변하고 전극에 균일하게 코팅된다. 이렇게 형성된 코팅층은 건조 과정을 거쳐 산화물 형태로 바뀌고 고온의 환경에서도 안정적으로 전극의 산소환원반응을 촉진한다. 이 코팅 공정에 들이는 시간은 단 4분에 불과하다.
기대 효과
연구진은 코팅된 나노 촉매가 산소 교환, 이온 전도를 촉진하는 원리를 규명해 촉매 코팅 방식으로 복합전극의 낮은 반응 속도를 해결할 수 있다는 학술적 근거를 제시했다.
개발된 촉매를 적용한 복합전극과 기존 복합전극을 400시간 이상 구동해 비교한 결과, 전기화학 반응 중 발생하는 저항이 10배 낮아진 것을 확인했다. 또한 이를 적용한 연료전지는 650도의 낮은 온도에서도 기존 연료전지 대비 3배 높은 전력 생산 성능(142 mW/cm
2 → 418 mW/cm
2)을 나타냈다. 이는 학계에 보고된 LSM-YSZ 복합전극 적용 고체산화물 연료전지 성능 중 최고 수준이다.
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