국내 연구진이 5분 이내의 산화물 코팅만으로 연료전지의 수명과 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 전극 코팅 기술을 개발했다.

KAIST(총장 신성철)는 10일 정우철 신소재공학과 교수 연구팀이 이같은 신기술 개발 개가를 올렸다고 밝혔다.

서한길 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스트 에너지 머티리얼즈’ 7월 5일자 표지 논문으로 게재됐다. 논문 제목은 ‘박막 고체산화물연료전지용 (Pr,Ce)O2-δ 기반 공기극의 향상된 전극 활성(Exceptionally Enhanced Electrode Activity of (Pr,Ce)O2-δ-Based Cathodes for Thin-Film Solid Oxide Fuel Cells)’이다.

연료전지는 대기오염 물질을 배출하지 않는 친환경 발전 장치다. 특히 고체 산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비해 발전효율이 높고 값비싼 수소 이외에 다양한 연료를 직접 사용할 수 있다는 장점을 갖고 있어 세계적으로 주목을 받고 있다.

하지만 고체산화물 연료전지 구동을 위해서는 700℃ 이상의 높은 작동온도를 필요로 하며 이는 소재 및 시스템 비용의 증가, 장시간 구동 시 성능 저하 등의 문제를 일으키면서 연료전지 상용화의 걸림돌이 돼 왔다.

최근 박막 공정을 도입해 전해질의 두께를 수백 나노미터 크기로 줄임으로써 작동온도를 600℃ 이하로 크게 낮추고 가격 경쟁력을 확보하려는 박막형 고체산화물연료전지가 새로운 해결책으로 제시되고 있다. 하지만 이또한 낮은 작동온도에서 전극성능이 급격히 떨어지는 한계를 극복하지 못하고 있다.

박막형 고체산화물연료전지는 산소이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극으로 이루어져 있는 에너지 변환 장치 및 기술이다. 고체산화물 연료전지의 높은 작동 온도를 낮추기 위해 박막 공정을 통해 기존의 수십㎛ 두께인 전해질을 수백㎚ 두께로 매우 얇게 제작함으로써 얻어지는 박막 기반으로 만들어진다.

KAIST 연구팀은 공기전극으로 사용되는 백금 박막의 산소환원반응 활성점을 극대화하고, 백금 전극이 고온에서 응집되는 현상을 막아주는 산화물 코팅 기술을 개발했다.

연구팀은 전기화학도금을 통해‘프라세오디뮴이 도핑된 세리아((Pr,Ce)O2-δ)라는 새로운 코팅 소재를 백금 표면에 코팅하는 데 성공했다. 이 소재는 전자와 산소이온 모두에 높은 전도성을 가지며, 산소환원 반응에 대한 뛰어난 촉매 특성을 가지고 있다. 이를 통해 기존 백금 박막 전극에 비해 1천 배 이상의 성능을 향상시킬 수 있었다. 연료전지의 산소환원반응은 산소기체가 전자와 만나 산소이온이 되면서 산소이온전해질 내부로 함입되는 것을 말한다.

연구팀은 이에 더해 백금을 전혀 사용하지 않고 프라세오디뮴 소재의 나노구조화를 제어하는 것만으로도 고성능의 박막형 고체산화물연료전지 공기극을 구현하는데 성공했다고 밝혔다.

정 교수는“이번 연구에서 사용된 전극 코팅 기술은 쉽고 대량생산이 가능한 전기화학도금을 활용했기 때문에 그 기술적 가치가 매우 뛰어나다”며 향후 박막형 고체산화물연료전지의 백금 전극을 대체할 수 있어 가격 저감을 통한 시장경쟁력 제고가 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국에너지기술평가원과 한국전력공사의 지원을 받아 수행됐다.