고성능 고체 산화물 연료전지 개발
고성능 고체 산화물 연료전지 개발
  • 강지희
  • 승인 2019.05.25 21:50
  • 조회수 3068
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출처: Fotolia
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고체 산화물 연료전지는 고온에서 높은 발전 효율을 나타내고 부산물도 없는 청정에너지 기술원으로 각광 받고 있는 기술입니다. 하지만, 시스템의 높은 작동온도는 시스템의 장기 안정성 및 구성 재료 선택의 한계를 가져오기 때문에, 작동온도를 중저온으로 낮추려는 연구들이 진행되고 있습니다.

 

이렇게 작동온도를 낮추게 되면, 공기극 및 공기극 계면에서의 산소환원 반응이 급격히 느려져 성능이 감소한다는 한계가 있습니다. 이러한 작동 조건에서 성능을 올리기 위해서는 다양한 시도들이 필요하며, 특히 중저온에서 반응이 가장 활발하다고 알려져 있는 전해질과 공기극 계면의 성질을 올리는 것이 중요합니다. 또한 전해질과 공기극 계면을 엔지니어링 할 수 있는 기술 개발이 절실한 실정이죠.

 

성균관대학교 기계공학부 이원영 교수와 변도영 교수 연구팀은 금속 기능층 기반의 고성능 고체 산화물 연료전지 개발에 성공했다고 합니다. <ACS Applied Energy Materials>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 전기수력학 젯 프린팅(EHD jet printing)을 사용하여 연료전지를 개발했다고 합니다.

 

어떻게 개발했는가

전기수력학 젯 프린팅 기법을 이용한 금속 기능층 구조 프린팅. 출처: 성균관대학교
전기수력학 젯 프린팅 기법을 이용한 금속 기능층 구조 프린팅. 출처: 성균관대학교

전기수력학 젯 프린팅 기법은 디스플레이 및 투명전극에 활용되는 상용화 기술로, 대면적 고반복성 고신뢰성 등 다양한 장점이 존재하는 기술인데요. 연구팀은 전기수력학 젯 프린팅을 사용하여 고체 산화물 연료전지의 전해질과 공기극 계면에 은, 니켈, 알루미늄과 같은 전기전도성이 높은 금속물질을 격자 구조로 프린팅하는 데 성공했습니다.

 

이런 금속 기능층은 일반 공기극 재료로 사용되는 페로브스카이트 재료인 Samarium Strontium Cobaltite(SSC) 재료에 비하여 굉장히 높은 전기전도도를 갖고 있습니다. 덕분에 전해질과 공기극 계면의 불완전한 접합에서 발생하는 면저항을 크게 감소시킬 수 있죠.

금속 기능층이 적용된 고체 산화물 연료전지의 전기화학적 성능 평가 및 모식도. 출처: 성균관대학교
금속 기능층이 적용된 고체 산화물 연료전지의 전기화학적 성능 평가 및 모식도. 출처: 성균관대학교

연구팀은 이를 기반으로 하여 650도 이하의 중저온에서 작동하는 고성능 고체 산화물 연료전지 시스템을 구축했습니다. 연구팀은 금속 기능층을 통하여 연료전지의 산소 환원 반응에 필수적인 전자의 공급과 분배가 원활하게 되고, 이에 따라 전극의 전기화학적 성능을 직접적으로 나타내는 전극의 분극화 저항을 약 10배 감소시키는 것과 동시에 연료전지의 전력밀도를 약 2배 향상시킬 수 있음을 확인했다고 합니다.

 

앞으로의 전망

이원영 교수. 출처: 성균관대학교
이원영 교수. 출처: 성균관대학교

연구팀의 이원영 교수는 "기존의 고체 산화물 연료전지가 갖고 있는 성능적인 한계를 금속 기능층 도입을 통하여 극복할 수 있고 특히 대면적, 고속화 공정에 용이한 전기수력학 젯 프린팅 방법을 이용하였기 때문에 상용화단계의 기술개발에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했습니다.

 

##참고자료##

 



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