KAIST, 양방향 고체산화물 연료전지용 스마트 전극 개발...기존 대비 최대 2.4배 성능 달성

한국과학기술원(KAIST)는 이강택 기계공학과 교수팀이 한정우 포스텍 교수, 신태호 한국세라믹기술원 연구원팀과 양방향 고체산화물 연료전지(SOFC)용 고성능 전극 소재 개발에 성공했다고 21일 밝혔다.

양방향 고체산화물 연료전지는 고온에서 수소와 산소를 자발 반응시켜 전력으로 고효율 변환(연료전지 모드)한다. 전기를 가하면 청정 수소를 생산(전해전지 모드) 할 수 있다. 탄소중립 사회를 위한 차세대 에너지 변환 기술이다.

전극 촉매 성능이 양방향 연료전지 전기화학 성능 향상에 중요하다. 다양한 연구가 진행되는데, 그중 다공성 연료극 구조체 표면에 고성능 나노 금속 촉매를 입히는 '함침법'의 경우 반응점을 늘리기 위해서 증착 공정을 반복 수행해야 하고, 고온 장기 구동 시 응집 현상 탓에 촉매 활성도가 저하되는 한계가 있다.

연구팀은 문제 해결을 위해 전극 표면에 금속합금 나노촉매가 자발 형성되는 '용출' 현상을 활용, 전극을 디자인했다. 기존 코발타이트계 산화물 구조 내 팔라듐을 미량 첨가해 양방향 구동 시 활성도 높은 전극 개발에 성공했다. 페로브스카이트 격자 내부에서부터 용출된 나노촉매는 전극 표면과 응집 현상 없이 강하게 결합한다. 입자 균일도 역시 우수해 촉매 성능 향상에 큰 이점이 있다.

팔라듐 도핑 연료극이 적용된 양방향 고체산화물 연료전지 구동 모식도
<팔라듐 도핑 연료극이 적용된 양방향 고체산화물 연료전지 구동 모식도>

전해질 지지체 단전지에 개발된 전극을 연료극으로 사용해 성능을 측정한 결과, 연료전지 모드에서 최대출력 2.0W/㎠ (850도 조건), 전해전지 모드에서 전력밀도 2.23A/㎝-² (1.3V, 850도 조건) 구현으로 세계 최고 수준 양방향 연료전지 성능을 달성했다. 이는 기존 기술 대비 연료전지 모드는 1.6배, 전해전지 모드는 2.4배 향상된 결과다.

이번 연구에는 김경준 KAIST 기계공학과 박사, 배경택 박사과정생, 임채성 포스텍 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 '어플라이드 카탈리시스 비: 인바이러멘탈' 5월 14일자 온라인판에 게재됐다.

이강택 교수는 “이번 연구를 통해서 특정 페로브스카이트 전극 물질 내 높은 환원 특성을 가지는 원소의 도핑이 산화물 전극 표면에 이종 금속 나노촉매를 선택적으로 형성하는 방아쇠 역할을 할 수 있으며, 이는 고성능 고 안정성의 양방향 고체산화물 연료전지 상용화를 선도하는 기술이 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업, 중견연구자지원사업 그리고 나노 및 소재 기술개발사업 지원으로 수행됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com