에너지연, 고체산화물 연료전지 촉매 코팅 기술 '개발'… 성능 3배↑

자료출처 대전일보

일 자 2024.6.12

전기화학 증착 시간에 따라 변해가는 산화물 나노 촉매의 형상. 한국에너지기술연구원 제공.

​

고효율 청정에너지원으로 주목받고 있는 '고체산화물 연료전지'의 성능을 대폭 향상시킨 촉매 코팅 기술이 개발됐다.

​

12일 한국에너지기술연구원(이하 에너지연)에 따르면 수소융복합소재연구실 최윤석 박사는 한국과학기술원 신소재공학과 정우철 교수, 부산대학교 재료공학부 박범경 교수 연구진과의 공동연구를 통해 단 4분 만에 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상시키는 촉매 코팅 기술을 개발하는 데 성공했다.

​

연료전지는 수소경제를 이끄는 고효율 청정에너지원으로 주목받고 있다. 그중 발전효율이 가장 높은 고체산화물 연료전지는 수소, 바이오가스, 천연가스 등 다양한 연료로 사용할 수 있다. 공정 중 발생하는 열을 이용한 복합발전도 가능하다.

​

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 있었지만, 아직은 화학적 안정성이 부족해 지속적인 연구가 필요한 상황이었다.

​

이에 에너지연 연구진은 안정성이 우수해 산업계에 널리 사용되는 소재인 LSM-YSZ 복합전극(이하 '복합전극')의 성능을 한 차원 높이는 데 집중했다. 그 결과 복합전극 표면에 산소환원반응을 활발하게 하는 나노 크기의 프라세오디뮴 산화물(PrOx) 촉매 코팅 공정을 개발, 이를 적용해 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상했다.

​

연구진은 또 상온, 상압에서 작동하며 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.

​

아울러 연구진은 코팅된 나노 촉매가 산소 교환, 이온 전도를 촉진하는 원리를 규명해 촉매 코팅 방식으로 복합전극의 낮은 반응 속도를 해결할 수 있다는 학술적 근거도 제시했다.

연구내용 개략도. 한국에너지기술연구원 제공.

​

최윤석 박사는 "이번에 개발한 전기화학 증착 기술은 기존 고체산화물 연료전지 제작 공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리 공정으로 산화물 나노 촉매를 도입해 산업적 활용성이 높다"며 "고체산화물 연료전지뿐만 아니라 수소 생산을 위한 고온 수전해(SOEC) 등 다양한 에너지 변환장치에 적용 가능한 원천기술을 확보했다"고 밝혔다.

​

이번 연구 결과는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부 개인기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 재료과학 분야 세계적 학술지인 'Advanced Materials(IF 29.4)'지에 게재됐다.