스스로 조절? '스마트' 연료전지 전극 소재!
스스로 조절? '스마트' 연료전지 전극 소재!
  • 함예솔
  • 승인 2019.02.06 05:10
  • 조회수 1128
  • 댓글 0
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고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)이란?

  • SOFC는 수소(연료)를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산합니다.
  • SOFC는 반응 후 물만 배출돼 친환경적이고 설치장소 제약이 적어 자가발전 등을 통해 전력이 필요한 지역에 적합한 신재생에너지 기술입니다.
  • 급작스러운 정지 혹은 연료공급 중단과 같은 상황에서, 전기 생산 반응을 일으키는 전극의 성능저하 등의 문제로 안정성 확보에 어려움이 상존했습니다.


뭘 발견했을까

  • DGIST 에너지공학전공 이강택 교수팀이 새로운 형태의 고성능 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)용 전극 소재를 개발했습니다.
  • 이번 연구는 <ACS Catalysis> 저널에 게재됐습니다.  

 

자발적으로 촉매가 발생되는 전극의 산화-환원 안정성 평가. 출처: DGIST
자발적으로 촉매가 발생되는 전극의 산화-환원 안정성 평가. 출처: DGIST

어떻게 조사했나

  • 연구팀은 SOFC 전극의 안정성 문제를 해결하고자 이중층 페로브스카이트 구조로 설계된 새로운 전극소재를 개발했습니다. 
  • 개발된 전극소재 내부에는 수소의 산화반응 효율성을 높이는 촉매인 니켈(Ni)이 내장됐습니다.
  • 연료전지가 작동하면 전극 표면에 니켈이 자발적으로 외부로 이동해 나노금속촉매를 형성하는 용출(Exsolution) 현상이 발생합니다. 
  • 용출된 니켈 촉매는 연료전지의 고효율 산화반응이 일어날 수 있도록 도와줘 연료전지의 안정성과 성능을 함께 향상시켰습니다.
  • 참고로 용출이란, 합금이 용융 또는 응고될 때 하나의 조성분이 다른 것으로부터 분리되는 것입니다.

 

자발적으로 촉매가 발생되는 전극의 전기화학 성능 평가.출처: DGIST
자발적으로 촉매가 발생되는 전극의 전기화학 성능 평가.출처: DGIST

특이한 점은?

  • 용출 현상은 최근 여러 과학자들 사이에서 연구됐으나 대부분 연구는 금속나노촉매의 형성과 촉매의 산화반응에 있어 일시적 성능 향상에만 집중돼 있었습니다.
  • 반면, 이번 연구에서는 산화-환원 주기(Redox Cycle) 속에서 산화반응이 안정적이고 효율적으로 일어날 수 있는 연료전지 전극 개발에 집중해 SOFC 성능 향상과 기술 상용화를 앞당길 수 있는 성과를 거뒀습니다. 
  • 또한, 연료전지의 연료공급여부에 따라 니켈 나노금속촉매가 용출되는 가역적 표면 구조 변화가 가능함을 증명해 앞으로 고성능 및 고내구성을 동시에 보장하는 신소재 전극 개발에 새로운 지평을 열어 줄 것으로 기대됩니다.


이 연구가 왜 중요할까

  • 새로 개발된 전극 소재는 용출(exsolution) 현상을 이용해 매우 적은 양의 금속 촉매를 가지고 높은 촉매활성을 일으키도록 설계됐습니다. 따라서 높은 성능과 함께 물리적ㆍ기계적 안정성을 향상시켜 기존 연료전지 전극을 대체할 수 있는 물질로 사용이 가능합니다. 

 

이강택 교수.출처: DGIST
이강택 교수.출처: DGIST

 

"기존 SOFC의 전극소재는 우수한 성능을 보이더라도 수소 공급이 불안정해지면 급격히 성능이 저하되고 본래의 성능을 회복하기 어려웠습니다. 자발적 나노 금속촉매 용출 현상 제어를 통해 높은 성능과 함께 산화-환원에 대한 안정성을 개선한 전극 개발은 SOFC의 상용화를 선도하는 기술이 될 것입니다" 

 


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