▲ 초음파분무 습식침투 장치에 습식 침투 공정용 단전지 장착 사진

국내 연구진이 고체산화물 연료전지의 제조공정 시간을 80% 단축시키는 공기극 대면적 제조기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 고온에너지전환연구실 이승복, 홍종은 박사 연구진이 기존 습식침투공정 대비 공정시간은 1/5 수준으로 단축시키는 공기극 제조 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

연구진이 개발한 기술은 초음파분무 습식침투 공정에 요소첨가제를 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.

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.