 쉽고 빠른 산화물 촉매코팅기술 개발 성공 고체산화물 연료전지 성능, 4분 만에 3배 향상 고체산화물 연료전지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 촉매코팅기술이 개발되었다. 단 4분 만에 3배의 성능 향상이 가능한 원천기술로, 향후 고체산화물 연료전지부터 고온 수전해까지 다양하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구는 한국에너지기술연구원(에너지연) 수소융복합소재연구실 최윤석 박사가 한국과학기술원 신소재공학과 정우철 교수, 부산대학교 재료공학부 박범경 교수 연구진과 공동으로 진행하였다.
정리 편집부
제공 KAIST·KIER 외
연료전지는 수소경제를 이끄는 고효율의 청정에너지원으로 주목받고 있다. 그중 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)는 전극과 전해질 모두 고체로 이루어져 700℃ 이상의 고온에서 운전되는 연료전지로, 발전효율이 가장 높다. SOFC는 수소, 바이오가스, 천연가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 공정 중 발생하는 열을 이용한 복합발전도 가능해 활발하게 연구되고 있다.
SOFC에 사용되는 상용 전극의 낮은 성능을 향상시키기 위한 다양한 촉매 효과가 다수 보고되고 있다. 그러나 아직은 실제 셀 제작 공정에 적용 가능한 수준은 아니기에, 연구진은 실용성이 뛰어난 촉매 도입 기술이 필요하다고 생각하여 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업과 과학기술정보통신부 개인기초연구사업의 지원을 받아 연구를 수행하게 되었다.
PrOx 촉매 코팅으로 SOFC 성능 대폭 향상 SOFC의 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응에 의해 결정된다. 연료극(음극)에서 일어나는 반응에 비해 공기극의 반응속도가 느려 전체 반응속도를 제한하기 때문이다. 이처럼 느린 속도를 극복하기 위해 활성이 높은 새로운 공기극 소재를 개발하고 있으나, 아직까지는 화학적 안정성이 부족하여 지속적인 연구가 필요하다.
연구진은 안정성이 우수하여 산업계에 널리 사용되는 소재인 ‘LSM-YSZ 복합전극’(이하 복합전극)의 성능을 한 차원 높이는데 집중했다. 이 복합전극은 전기전도성 페로브스카이트인 LSM(Lanthanum Strontium Manganite)과 산소이온 전도성 전해질인 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)로 구성되어 상호간 열적·화학적 호환성이 뛰어나 전통적으로 산업계에 널리 사용되는 공기극 소재이다. 연구진은 복합전극 표면에 산소환원반응을 활발하게 하는 나노 크기의 ‘프라세오디뮴 산화물(PrOx) 촉매 코팅 공정’을 개발하고, 이를 적용해 SOFC의 성능을 대폭 향상시켰다.
연구진은 상온·상압에서 작동하면서 복잡한 장비와 공정이 필요하지 않은 전기화학 증착법을 도입했다. 전기화학 증착법(Cathodic Electrochemical Deposition, 이하 CELD)이란 전기화학적 반응을 이용해 금속이나 금속 화합물을 전극 표면에 증착하는 방법이다. 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.
LSM-YSZ 복합전극 적용 SOFC 중 최고 성능 연구진은 코팅된 나노 촉매가 산소 교환, 이온 전도를 촉진하는 원리를 규명하여 촉매 코팅 방식으로 복합전극의 낮은 반응속도를 해결할 수 있다는 학술적 근거를 제시했다.
개발된 촉매를 적용한 복합전극과 기존의 복합전극을 400시간 이상 구동하여 비교해보니, 전기화학 반응 중 발생하는 저항이 10배 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 또 이를 적용한 연료전지는 650℃의 낮은 온도에서도 기존 연료전지 대비 3배 높은 전력생산 성능(142mW/㎠ → 418mW/㎠)을 나타냈다. 이는 학계에 보고된 LSM-YSZ 복합전극 적용 고체산화물 연료전지 성능 중 최고 수준이다.
기존 기술과 대비 차별성은 ▶촉매의 담지량과 촉매 코팅층의 나노단위 형상 제어가 용이하며 ▶단순하고 빠르게 산화물 코팅이 가능하여 별도의 열처리를 수반하지 않아 촉매 적용에 소요되는 시간과 에너지를 획기적으로 절감할 수 있다는 것이다. 이하 자세한 차이점은 [표 1]과 같다.
이번 연구성과로 ▶SOFC 기술의 성능 향상을 위한 원천 소재·공정 기술 확보 ▶SOFC 기술의 작동온도 저감을 통한 장기 내구성 향상 및 제조·운전 비용 절감 효과, 이를 통한 관련 기술 경제성 확보 ▶고체산화물 수전해 등 다양한 전기화학 소자에 적용하여 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 범용 기술로 기대 ▶2050 탄소중립, 수소경제 활성화 등의 에너지전환 국가정책 실현을 위한 핵심 기술에 대한 기술력 확보 등의 효과가 기대된다.
한편, 이 연구 논문은 재료과학 분야 세계적 학술지인 『Advanced Materials(IF 29.4, JCR Materials Science 분야 상위 2.3% 이내)』에 <Revitalizing Oxygen Reduction Reactivity of Composite Oxide Electrodes via Electrochemically Deposited PrOx Nanocatalysts>라는 제목으로 3월 22일에 게재되었다.
공동연구진 중 한 명인 최윤석 박사는 “이번에 개발한 전기화학 증착기술은 기존 SOFC 제작 공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리 공정으로, 경제적으로 산화물 나노촉매를 도입하여 산업적 활용성이 높다”고 말하며 “SOFC 뿐만 아니라 수소 생산을 위한 고온 수전해(SOEC) 등 다양한 에너지 변환장치에 적용 가능한 원천기술을 확보했다”고 소감을 전했다.
<Energy News>
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