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제목 | [한국에너지기술연구원] 연료전지 공기극 대면적 제조기술 개발, 제조공정시간도 1/5로 뚝 |
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- 나노입자 산화물 촉매 제조공정 시간 80% 단축시킨 대면적 공기극 기술 개발 ■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 고온에너지전환연구실 이승복, 홍종은 박사 연구진이 고체산화물 연료전지*의 성능과 내구성은 유지하면서, 기존 습식침투공정 대비 공정시간은 1/5 수준으로 단축시키는 공기극 제조 기술을 개발했다. ■ 연구진이 개발한 기술은 초음파분무 습식침투 공정에 요소(urea) 첨가제를 사용한 용액을 이용한 기법이다. 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 구현했다. □ 고체산화물 연료전지의 성능을 결정하는 주요 인자는 공기극에서 발생하는 산소환원반응*이다. 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 있다. □ 그 중 습식침투공정은 전해질이나 공기극 소재로 이뤄진 다공성 구조 표면에 나노 크기의 공기극 촉매 입자를 형성해 성능을 향상시킬 수 있고 분말 형태의 공기극 코팅보다 소재 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다. 하지만 습식침투 공정은 원하는 촉매 담지량에 도달하기 위해서 습식침투·건조·고온 하소의 과정을 수 회 반복해야 하는 불편함이 있다. ■ 이를 극복하기 위해 연구진은 요소를 침전제(Precipitating agent)로 첨가한 침투용액을 이용해 반복적인 고온하소 열처리 공정이 생략된 초음파분무 습식침투* 기법을 개발했다. □ 연구진은 LSCF 상용 공기극 소재를 이루는 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. 또한 비교적 낮은 하소온도를 적용해 나노크기의 LSCF 입자들로 이뤄진 균일한 공기극 층을 형성할 수 있어 대면적화에 용이하다는 장점이 있다. ■ 연구진은 25cm2 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 확인했다. 연구진이 개발한 공기극을 적용한 단위전지는 700℃ 작동온도에서 0.8 W/cm2 이상의 출력밀도와 1,200시간 동안 안정한 성능을 보였다. □ 또한 고온 열처리 시 전해질과 공기극 물질 간의 화학적 반응에 의해 불순물이 생성되어 성능 및 내구성을 감소시키지 않도록 적용하는 반응방지막 층도 생략할 수 있어 고체산화물 연료전지의 내구성과 경제성을 향상 가능하며 상용화 가능성이 높을 것으로 기대되는 기술이다. ■ 연구책임자인 이승복 박사는 “요소를 첨가한 침투용액을 이용한 초음파분무 습식침투법은 기존 습식침투공정 대비 SOFC 공기극 제조 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있고 셀 대면적화에 용이해 상용화에 적합한 기술”이라며 “저온 하소공정으로 형성된 단일 결정구조의 나노촉매 공기극 층은 향후 SOFC 성능과 내구성 향상을 위한 중요한 연구 결과로 활용 가능할 것”이라고 밝혔다. ■ 한편 이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발 사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 화학분야 세계적 학술지인 ‘Journal of Energy Chemistry(IF 9.676)’ 에 게재됐다. |
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원문보기 | View Original> |
분류 | 국내 기술동향 |
출처 | 국가과학기술연구회 |
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