작성일 : 20-10-18 19:55
에너지연, 이승복·송락현 박사 연구팀 고체산화물 연료전지 성과 거둬 , 연료전지 성능 2배 향상···발전·건물 적용분야 다양
 글쓴이 : happy
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초음파 습식침투 장비를 나타낸 모식도.  x-y축 직교로봇에 의해 정확한 위치에 액체 방울 크기가 최소화된 나노촉매를 분사시킬 수 있다.<사진= 한국에너지기술연구원 >
국내 연구진이 연료전지의 성능을 2배 향상시키는 기술을 개발하는데 성공했다. 상용화 적용도 기대된다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 이승복 박사와 송락현 박사 연구팀백금처럼 고가의 소재를 사용하지 않고도 고체산화물 연료전지(SOFC ) 성능을 2배 이상 향상시켰다고 14일 밝혔다.

고체산화물 연료전지는 산소나 수소 이온을 투과시킬 수 있는 산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂) 등 고체산화물을 전해질로 사용한다. 이는 제3세대 연료전지로 불리며 600~1000℃의 고온에서 작동돼 전력 변환효율이 60% 이상으로 가장 높다고 알려진다. 또 LNG·수소·암모니아 등 다양한 연료 사용이 가능해 중대형 발전·건물용·가정용 등 적용분야도 다양하다.

고체산화물 연료전지 시스템 전체 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 연료극·전해질·공기극으로 구성된 단위전지다. 이중 공기극의 느린 산소환원반응(외부 유입 산소가 전자를 만나 환원)은 고체산화물 연료전지의 단위전지의 성능을 감소시키는 가장 주요 원인으로 꼽힌다.

그동안 연구는 산소환원반응을 향상시키기 위해 촉매를 용액에 녹여 공기극 층에 첨가하는 습식 침투 방법을 사용해 왔다. 그러나 기존 마이크로피펫을 이용한 습식 침투 방법은 첨가되는 액체 방울의 크기가 1mm 이상으로 커 촉매가 공기극 표면에 뭉쳐 유입되는 산소를 막아 성능을 감소시켰다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 초음파분산 습식침투 공정 기법을 개발했다. 초음파분산 습식침투공정은 미세한 떨림으로 첨가하는 액체 방울의 크기를 마이크로미터(약 10-5μm) 단위로 감소시킬 수 있는 초음파장치를 이용해 균일한 촉매층을 성장시킬 수 있다.
 
그 결과 SOFC의 공기극 물질인 LSCF층에 성장한 나노촉매층을 확인할 수 있었다. 기존 공기극 사용 대비 2.3배 성능이 향상됐다. 또 투과전자현미경 분석을 통해 동일 결정 구조로 성장, 내구성의 우수함도 확인했다.

이승복 책임연구원 "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 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 '기후변화대응기술사업'과 한국에너지기술연구원 주요사업 '건물용 연료전지를 위한 저가 고성능 핵심원천 소재 개발' 사업 지원을 받아 수행됐다. 결과는 국제학술지 '저널 오브 머티리얼스 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)'에 게재됐다.