SOFC 성능 2배 이상 향상 기술개발···상용화 적용 기대
SOFC 성능 2배 이상 향상 기술개발···상용화 적용 기대
  • 홍시현 기자
  • 승인 2020.10.14
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에너지연, 초음파분산 습식침투법 이용

[투데이에너지 홍시현 기자] 국내 연구진이 고체산화물연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) 성능을 2배 이상 향상시키는 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 연료전지연구실 이승복 박사, 송락현 박사 연구진은 초음파분산 습식침투법 공정을 사용해 백금과 같은 고가의 소재를 사용하지 않고도 고체산화물연료전지 성능을 2배 이상 향상시켰다고 밝혔다.

연료전지는 연료(수소와 산소)의 화학반응으로 전기를 생산하는 장치로 제3세대 연료전지라 불리는 고체산화물연료전지는 600~1,000℃의 고온에서 작동돼 기존의 연료전지 중 전력 변환효율이 60% 이상으로 가장 높다. 또한 LNG·수소·암모니아 등 다양한 연료의 사용이 가능해 중대형 발전·건물용·가정용 등 다양한 적용분야를 갖는 미래의 신 에너지기술이다.

고체산화물연료전지 시스템 전체 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 연료극·전해질·공기극으로 구성된 단위전지다. 그 중 공기극에서의 느린 산소환원반응은 고체산화물연료전지 단위전지의 성능을 감소시키는 가장 주요한 원인이다.

연구진이 개발한 초음파분산 습식침투공정은 미세한 떨림으로 첨가하는 액체 방울의 크기를 마이크로미터 단위로 감소시킬 수 있는 초음파장치를 이용해 정량의 균일한 촉매층을 도포시킬 수 있는 공정이다.

초음파분산 습식침투공정을 통해 기존 SOFC 공기극 물질인 LSCF층 위에 산소환원반응 성능은 우수하지만 SOFC 전해질과의 열팽창계수 차이로 인해 공기극 소재로 활용되지 못하던 SSC 페로브스카이트 산화물을 촉매 물질로 첨가했다.

초음파 습식침투공정을 통해 기존 SOFC 공기극 물질인 LSCF층 위에 성장한 SSC 나노촉매층을 확인했고 그 결과 기존 LSCF/GDC 복합체 공기극 사용대비 약 2.3배 이상의 성능향상 효과를 보였다. 또한 동일 결정구조로 성장한 SSC 나노촉매층은 입자성장이 억제될 뿐만 아니라 LSCF와 우수한 접착력을 통해 장기 내구성에서 우수함을 나타낸다.

이승복 연료전지연구실 책임연구원은 “초음파분산 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 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 ‘기후변화대응기술사업’ 및 한국에너지기술연구원 주요사업 ‘건물용 연료전지를 위한 저가 고성능 핵심원천 소재 개발’ 사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A), IF: 11.301’에 게재됐다.

열팽창계수: 모든 물체는 열이 가해졌을 때 늘어나거나 부피가 커지는 특성을 가지고 있다. 이것을 열팽창이라 하며 온도에 따른 길이의 변화는 선팽창, 부피의 변화는 부피팽창이라한다. 온도 1℃ 상승할 때마다의 변화를 열팡창계수라 한다.

SSC: ABO3 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물에서 A-자리에 사마륨(Samarium, Sm), 스트론튬(Strontium, Sr)이, B-자리에 코발트(Cobalt, Co)가 첨가된 Sm0.5Sr0.5CoO3-δ 구조를 갖는 산화물.

 


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