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한국에너지기술연구원은 고온에너지전환연구실 이승복·홍종은 박사 연구팀이 고체산화물 연료전지 성능과 내구성은 유지하면서 공정시간은 5분의 1 수준으로 단축시키는 공기극 제조기술을 개발했다고 8일 밝혔습니다.

연구진이 개발한 기술은 초음파분무 습식침투 공정에 요소(urea) 첨가제를 사용한 용액을 이용한 기법인데요 이 기술로 기존 습식침투공정의 단점인 반복적인 하소 공정을 최종 단계에서 1회만 실시하도록 공정을 단축키면서 조성과 미세구조가 균일한 나노입자 공기극 층을 대면적으로 형성해 상용 수준의 성능과 장기 안정성을 구현했습니다.

고체산화물 연료전지의 성능을 결정하는 주요 인자는 공기극에서 발생하는 산소환원반응이고 이에 공기극의 산소환원반응을 향상시키기 위해 LSCF 상용 공기극 소재보다 우수한 촉매 특성을 갖는 새로운 조성을 개발하거나 상용 소재를 나노구조로 형성해 유효반응 영역을 극대화시키기 위한 많은 노력들이 진행되고 있습니다.

연구진은 기존 상용 공기극 소재를 이루는 전구체 금속이온들과 요소를 용해시킨 침투용액을 초음파분무 공정으로 다공성 구조 표면에 고르게 분산시켰고 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 부착됩니다.

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 있습니다.

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

연구진은 25㎠ 대면적의 다공성 GDC 전해질 층에 요소를 첨가한 LSCF 침투용액을 초음파분무로 5회 습식침투-건조시킨 후 900℃에서 하소해 균일한 조성과 나노입자로 이뤄진 LSCF 공기극 층(300nm)이 형성되었음을 확인했고 연구진이 개발한 공기극을 적용한 단위전지는 700℃ 작동온도에서 0.8 W/㎠ 이상의 출력밀도와 1200시간 동안 안정한 성능을 보였습니다.

이승복 박사는 “저온 하소공정으로 형성된 단일 결정구조의 나노촉매 공기극 층은 향후 SOFC 성능과 내구성 향상을 위한 중요한 연구 결과로 활용 가능할 것”이라고 설명했다.