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고체산화물 연료전지 성능 4분 만에 대폭 향상
에너지연, 쉽고 빠른 ‘산화물 촉매 코팅기술’ 개발
2024년 06월 12일 (수) 김남표 elenews@chol.com

한국에너지기술연구원 수소융복합소재연구실 최윤석 박사는 한국과학기술원 정우철 교수, 부산대 박범경 교수 연구진과의 공동연구를 통해 단 4분 만에 고체산화물 연료전지 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 ‘촉매 코팅기술’을 개발하는데 성공했다.

고체산화물 연료전지의 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응에 의해 결정된다.

연료극(음극)에서 일어나는 반응에 비해 공기극의 반응속도가 느려 전체 반응속도를 제한하기 때문이다.

이러한 느린 속도를 극복하기 위해 활성이 높은 새로운 공기극 소재를 개발하고 있으나 아직까지는 화학적 안정성이 부족해 지속적인 연구가 필요한 상황이다.

이에 연구진은 안정성이 우수해 산업계에서 널리 사용되고 있는 소재인 LSM-YSZ 복합전극의 성능을 한 차원 높이는데 주목, 복합전국 표면에 산소환원반응을 활발하게 하는 나노 크기의 크라세오디뮴 산화물 촉매 코팅 공정을 개발하고, 이를 적용해 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상시켰다.

연구진은 상온, 상압에서 작동하면서 복잡한 장비와 공정이 필요 없는 ‘전기화학 증착법’을 도입했다.

복합전극을 프라세오디뮴 이온이 포함된 용액에 담가 전류를 흐르게 하면 전극 표면에서 생성된 수산화기와 프라세오디뮴 이온이 만나 침전물의 형태로 변하고 전극에 균일하게 코팅된다.

이렇게 형성된 코팅층은 건조과정을 거쳐 산화물 형태로 변하고 고온의 환경에서도 안정적으로 전국의 산소환원반응을 촉진한다.

이 코팅공정에 소요되는 시간은 단 4분에 불과하다.

이와 함께 연구진은 코팅된 나노촉매가 산소 교환, 이온 전도를 촉진하는 원리를 규명해 촉매 코팅 방식으로 복합전극의 낮은 반응속도를 해결할 수 있다는 학술적 근거를 제시했다.

이번 연구 책임자인 최윤석 박사는 “이번에 개발한 ‘전기화학 증착기술’은 기존 고체산화물 연료전지 제작공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리 공정으로 경제적으로 산화물 나노촉매를 도입해 산업적 활용성이 높다.”며, “고체산화물 연료전지뿐만 아니라 수소 생산을 위한 고온 수전해 등 다양한 에너지변환장치에 적용이 가능한 원천기술을 확보했다.”고 밝혔다.

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