4분 만에 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 성능을 3배 높일 수 있는 기술이 개발됐다. SOFC부터 고온수전해까지 다양한 에너지 변환장치에 적용되는 원천기술이다.

한국에너지기술연구원은 최윤석 수소융복합소재연구실 박사가 정우철 한국과학기술원 신소재공학과 교수, 박범경 부산대학교 재료공학부 교수 연구진과 함께 4분간의 복합전극 촉매코팅 공정을 통해 SOFC 성능을 3배 향상시키는 기술을 공동 개발했다고 전했다.

연료전지는 수소경제를 이끄는 고효율 청정에너지원이다. 이중 발전효율이 가장 높은 SOFC는 전극과 전해질 모두 고체로 이뤄져 700℃ 이상 고온에서 작동된다. 수소·바이오가스·천연가스 등 연료를 사용할 수 있으며 공정 중 발생하는 열을 이용한 복합발전이 가능해 활발한 연구가 진행 중이다.

SOFC 성능은 공기극(양극)에서 일어나는 산소환원반응에 따라 결정된다. 연료극(음극)에 비해 반응속도가 느려 전체 반응속도를 제한하기 때문이다. 이를 극복하기 위해 활성이 높은 공기극소재를 개발 중이지만 화학적 안정성이 부족해 지속적 연구가 필요한 상황이다. 

연구진은 우수한 안정성을 가진 ‘LSM-YSZ 복합전극(이하 복합전극)’ 표면에 산소환원반응을 활발하게 하는 나노크기 프라세오디뮴산화물(PrOx) 촉매코팅공정을 개발·적용해 성능을 향상시켰다. 

복합전극을 프라세오디뮴(Pr)이온이 포함된 용액에 담가 전류를 흐르게 하면 전극표면에서 생성된 수산화기(OH-)와 Pr이온이 만나 침전물 형태로 변하고 전극에 균일하게 코팅된다. 코팅층은 건조를 거쳐 산화물형태로 바뀌며 고온에서도 안정적으로 산소환원반응을 촉진한다. 소요시간은 4분이다.

신기술을 적용한 복합전극과 기존 복합전극을 400시간 이상 구동해 비교한 결과 화학반응 중 생기는 저항이 10배 낮아졌으며 650℃의 낮은 온도에서도 기존대비 3배 높은 전력생산성능(142→418MW/㎠)을 보였다. 

연구진은 이번 연구에 상온·상압에서 작동하며 복잡한 장비와 공정이 불필요한 전기화학증착법을 도입했으며 복합전극의 낮은 반응속도를 해결할 수 있다는 학술적 근거를 제시했다고 밝혔다.

최 박사는 “이번에 개발한 전기화학증착기술은 기존 SOFC 제작공정에 큰 영향을 주지 않는 후처리공정으로 경제적으로 산화물나노촉매를 도입해 산업적 활용성이 높다”라며 “수소생산을 위한 고온수전해 등 에너지변환장치에 적용할 수 있는 원천기술”이라고 말했다.