[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 연료전지연구실 이승복 박사, 송락현 박사 연구진은 초음파분산 습식침투법 공정을 이용, 고체산화물연료전지(SOFC) 성능을 2배 이상 향상시켰다고 밝혔다.

SOFC 시스템의 전체 성능을 결정하는 가장 중요한 요소는 연료극·전해질·공기극으로 구성된 단위전지다. 이중 공기극에서 느린 산소환원반응이 일어날 때 단위전지의 성능은 크게 감소된다.

그동안 외부에서 유입된 산소가 전자를 만나는 산소환원반응을 향상시키기 위해 촉매를 용액에 녹여 공기극 층에 첨가하는 습식침투 방법을 사용해왔다. 

그러나 기존 마이크로피펫을 이용한 습식침투 방법은 첨가되는 액체 방울의 크기가 1mm 이상으로 커 촉매가 공기극 표면에 뭉쳐 유입되는 산소를 막아 성능을 감소시키곤 했다. 

연구진은 이를 극복하기 위해 초음파분산 습식침투공정(Ultrasonic spraying infiltration) 기법을 개발했다. 이 방식은 초음파장치를 활용, 미세한 떨림으로 액체 방울의 크기를 마이크로미터 단위로 줄여 정량의 균일한 촉매를 도포하게 만든다.

초음파분산 습식침투공정을 통해 기존 SOFC 공기극 물질인 LSCF층 위에 산소환원반응 성능은 우수하지만, SOFC 전해질과의 열팽창계수 차이로 인해 공기극 소재로 활용되지 못하던 SSC 페로브스카이트 산화물을 촉매 물질로 첨가했다.

SSC는 ABO3 구조를 갖는 페로브스카이트 산화물에서 A자리에 사마륨(Sm)과 스트론튬(Sr)이, B자리에 코발트(Co)가 첨가된 Sm0.5Sr0.5CoO3-δ 구조를 갖는 산화물을 이른다.

초음파 습식침투공정을 통해 기존 SOFC 공기극 물질인 LSCF층 위에 성장한 SSC 나노촉매층을 확인했고, 그 결과 기존 LSCF/GDC 복합체 공기극 사용 대비 약 2.3배 이상의 성능 향상 효과를 보였다. 또, 투과전자현미경 분석을 통해 SSC 나노촉매층이 LSCF 공기극 위에 동일 결정 구조로 성장함을 확인했다. 

동일 결정구조로 성장한 SSC 나노촉매층은 입자 성장이 억제될 뿐만 아니라 LSCF와 우수한 접착력으로 내구성도 뛰어나다.

연료전지연구실 이승복 책임연구원은 “초음파 분산 습식침투법은 SOFC 셀 대면적화에 용이하고, 신규 개발 셀뿐 아니라 기존 셀에 새로운 나노촉매 기능층을 형성할 수 있는 상용화에 적합한 기술”이라며 “동일 결정구조로 성장한 나노촉매층은 향후 SOFC 성능 향상을 위한 중요한 연구 결과로 활용할 수 있다”고 말했다.

이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)’에 게재됐다.