"고효율인데 친환경적이다"...KAIST, 양방향 연료전지용 고성능 전극 소재 개발

(내외방송=정지원 기자) 친환경 에너지원을 생산할 수 있어 탄소 중립 사회를 위한 차세대 에너지 변환 기술이 개발됐다.

KAIST는 21일 "이강택 기계공학과 교수 연구팀이 한정우 포스텍 교수와 신태호 한국세라믹기술원 박사팀과 공동 연구를 통해 '양방향 고체산화물 연료전지용 고성능 전극 소재' 개발에 성공했다"고 밝혔다.

양방향 고체산화물 연료전지는 고온에서 수소와 산소를 자발적으로 반응 시켜 고효율적인 전력으로 변환하고, 전기를 가하면 청정 수소와 같은 친환경 에너지원을 생산할 수 있다.

이 전지의 전기화학적 성능을 높이기 위해서 가역반응(화학반응 시 정반응과 역반응이 동시에 일어남)에서 전극의 촉매 성능을 획기적으로 높이는 것이 중요하다.

다공성 연료극 구조체 표면에 고성능 나노 금속 촉매를 입히는 기존 함침법의 경우 반응점을 늘리기 위해서 반복적인 증착 공정을 수행해야하며 고온에서 장기 구동 시 응집 현상으로 인해 촉매 활성도가 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 연료전지가 작동하는 환경에서 전극 표면에 금속합금 나노촉매가 자발적으로 형성되는 용출 현상을 활용한 전극을 고안했다.

금속합금 나노촉매 형성을 촉진하기 위해 기존 코발타이트계 산화물 구조 안에 팔라듐(Pd)을 조금 첨가했는데, 이 방법이 양방향 구동 시 가역적으로 고활성을 갖는 전극 개발에 성공 요인이었다.

이 방법으로 설계된 나노 합금 촉매는 페로브스카이트(부도체·반도체·도체의 성질과 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물) 격자 내부에서부터 전극 표면으로 스스로 용출돼 형성되기 때문에 전극 표면과 응집 현상 없이 강하게 결합하고, 입자의 균일도 우수해 촉매 성능 향상에 안성맞춤이다.

연구팀은 전해질 지지체 단전지에 개발된 전극을 연료극으로 사용해 성능을 측정한 결과 연료전지 모드에서 최대출력 2.0W/㎠(850℃), 전해전지 모드에서 전력밀도 2.23A/cm^-2(1.3V, 850℃)를 구현해 세계 최고 수준의 양방향 연료전지 성능을 개발했다.

이는 기존 기술과 비교했을 때 연료전지 모드는 1.6배, 전해전지 모드는 2.4배 향상된 결과다.

이강택 교수는 "이번 연구를 통해서 특정 페로브스카이트 전극 물질 안에 높은 환원 특성을 갖는 원소의 도핑이 산화물 전극 표면에 이종 금속 나노촉매를 선택적으로 형성하는 방아쇠 역할을 할 수 있다"며 "이는 고성능 고 안정성의 양방향 고체산화물 연료전지 상용화를 선도하는 기술이 될 것"이라고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업과 중견연구자지원사업, 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.

김경준 KAIST 기계공학과 박사와 배경택 박사과정, 임채성 포스텍 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 이 연구 결과는 국제 학술지 '어플라이드 카탈리시스 비: 인바이러멘탈, Applied Catalysis B: Environmental'(IF:19.503, JCR분야 0.93%)에 5월 14일 온라인에 게재됐다(논문명: Concurrent promotion of phase transition and bimetallic nanocatalyst exsolution in perovskite oxides drived by Pd doping to achieve highly active bifunctional fuel electrodes for reversible solid oxide electrochemical cells).