제조공정시간 80%↓…고성능 ‘고체연료전지’ 상용화 청신호

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 고체 연료전지 제조시간을 최대 80%까지 단축시켜 상용화 가능성을 높인 공정기술 확보에 성공했다.

한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 이승복, 홍종은 박사 연구진은 고체산화물 연료전지 성능과 내구성은 유지하면서, 기존 습식침투공정 대비 공정시간은 1/5 수준으로 단축시키는 공기극 제조 기술을 개발했다.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용한다. 고온에서 작동해 기존 연료전지 중 전력 변환효율이 60% 이상으로 가장 높고 LNG·암모니아·메탄올 등 다양한 연료의 사용이 가능해 분산발전·건물용·가정용 등 적용분야가 다양하다.

연구진이 개발한 기술은 초음파분무 습식침투 공정에 요소 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 산소환원반응이다. 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 침전제로 첨가한 침투용액을 이용해 반복적인 고온하소 열처리 공정이 생략된 초음파분무 습식침투 기법을 개발했다.

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.

연구진이 개발한 공기극을 적용한 단위전지는 700℃ 작동온도에서 0.8 W/cm2 이상의 출력밀도와 1200시간 동안 안정한 성능을 보였다.

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 연구결과로 활용 가능할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 ‘에너지 화학’에 게재됐다.