한국에너지기술연구원은 고온에너지전환연구실 이승복·홍종은 박사 연구팀이 고체산화물 연료전지의 성능과 내구성은 유지하면서 기존 습식침투공정 대비 공정시간은 1/5 수준으로 단축시킨 공기극 제조기술을 개발했다고 8일 밝혔다

고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물(산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂) 등)을 전해질로 사용하는 연료전지로, 600~1000℃의 고온에서 작동해 기존 연료전지 중 전력 변환효율이 가장 높고 적용분야가 다양하다.

연구진이 개발한 기술은 초음파분무 습식침투 공정에 요소(urea) 첨가제를 사용한 용액을 이용한다. 이 기술로 기존 습식침투공정의 단점인 반복적인 하소 공정(열처리 과정)을 최종 단계에서 1회만 실시토록해 공정을 단축키면서도 조성과 미세구조가 균일한 나노입자 공기극 층을 대면적으로 형성해 높은 성능과 안정성을 구현했다.

고체산화물 연료전지의 성능을 결정하는 주요 인자는 공기극에서 발생하는 산소환원반응이다. 전해질이나 연료극에서 발생하는 반응들의 속도보다 공기극의 산소환원반응속도가 느릴 경우 전체 고체산화물연료전지의 성능을 감소시키가 때문에 공기극의 산소환원반응을 향상시키기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다.

이번에 에너지연구원은 요소를 침전제(Precipitating agent)로 첨가한 침투용액을 이용해 반복적인 고온하소 열처리 공정이 생략된 초음파분무 습식침투 기법을 개발했다.

초음파분무 습식침투(Ultrasonic spraying infiltration) 기법은 대면적의 전극에도 정량의 촉매를 균일하게 유지시킬 수 있다.

연구진은 전구체 금속이온들과 요소를 용해시킨 침투용액을 초음파분무 공정으로 다공성 구조 표면에 고르게 분산시켰다.

분산된 침투용액은 100℃에서 건조되면서 요소의 가수분해반응에 의해 암모니아와 이산화탄소를 발생시켜 용액 내 pH가 서서히 증가하고, 금속이온들은 이온교환반응을 통해 금속 수산화물이나 수산화탄산염과 같은 미세한 침전물을 형성해 다공성 구조 표면에 고르게 부착된다.

표면에 부착된 침전물은 촉매입자의 전구체(precursor) 역할을 해 침투용액이 완전히 건조될 때까지 일정하게 유지되고 이후 원하는 촉매량을 담지할 때까지 습식침투와 건조만 반복한 후 최종 단계에서만 하소를 진행해 단일 결정구조를 갖는 LSCF 공기극을 형성할 수 있다.

연구진이 개발한 기술은 기존 습식침투공정 대비 반복적인 하소 과정을 생략해 공정시간을 80% 이상 단축시킬 수 있다. 또 비교적 낮은 하소온도를 적용해 나노크기의 LSCF 입자들로 이뤄진 균일한 공기극 층을 형성할 수 있어 대면적화에 용이하다는 장점이 있다.

연구진이 개발한 공기극을 적용한 단위전지는 700℃ 작동온도에서 0.8W/㎠ 이상의 출력밀도와 1200시간 동안 안정한 성능을 보였다.

특히 고온 열처리 시 전해질과 공기극 물질 간의 화학적 반응에 의해 불순물이 생성돼 성능 및 내구성을 감소시키지 않도록 적용하는 반응방지막 층도 생략할 수 있어 고체산화물 연료전지의 내구성 및 경제성 향상, 상용화 가능성이 높다.

연구결과는 화학분야 국제 학술지인 'Journal of Energy Chemistry(IF 9.676)'에 지난 3월 게재됐다.(논문명:A dynamic infiltration technique to synthesize nanolayered cathodes for high performance and robust solid oxide fuel cells)

이승복 박사는 "요소를 첨가한 침투용액을 이용한 초음파분무 습식침투법은 기존 습식침투공정 대비 SOFC 공기극 제조 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있고 대면적화에 용이, 상용화에 적합하다"며 "저온 하소공정으로 형성된 단일 결정구조의 나노촉매 공기극 층은 향후 SOFC 성능과 내구성 향상을 위한 중요한 연구 결과로 활용될 것"이라고 말했다.