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5분 코팅만으로 연료전지 수명 성능 1000배 향상

정우철 KAIST 교수팀 연구···기존 백금 박막 전극에 비해 성능 높아져
KAIST(총장 신성철)는 정우철 신소재공학과 교수 연구팀이 5분 이내의 산화물 코팅만으로 연료전지의 수명과 성능을 향상시킬 수 있는 전극 코팅 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

연료전지는 대기오염 물질을 배출하지 않는 친환경 발전장치이다. 특히 고체산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비해 발전효율이 높고 값비싼 수소 이외에 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

하지만 이 전지를 구동하기 위해서는 700℃ 이상의 높은 작동온도가 필요하다. 이는 소재와 시스템 비용의 증가, 장시간 구동 시 성능 저하 등의 문제를 유발해 연료전지 상용화에 걸림돌로 작용했다. 

최근에는 막 공정을 도입해 전해질의 두께를 수백 나노미터 크기로 줄이고, 작동온도를 600℃ 이하로 낮춰 가격 경쟁력 확보가 가능한 박막형 고체산화물연료전지가 새로운 해결책으로 제시되고 있다. 하지만 낮은 작동온도에서 떨어지는 전극 성능의 한계를 극복하지 못했다.

이에 연구팀은 공기극으로 사용되는 백금 박막의 산소환원반응 활성점을 극대화하고, 백금 전극이 고온에서 응집되는 현상을 막기 위해 산화물 코팅 기술을 개발했다.

연구팀은 전자와 산소이온 모두에 대한 높은 전도성과 산소환원 반응에 대한 뛰어난 촉매 특성을 가진 '프라세오디뮴이 도핑된 세리아((Pr,Ce)O2-δ)'라는 새로운 코팅 소재를 전기화학도금을 통해 백금 표면에 코팅하는 데 성공했다. 이를 통해 기존 백금 박막 전극에 비해 1000배 이상 성능을 향상시켰다.

이어 연구팀은 백금을 전혀 사용하지 않고 (Pr,Ce)O2-δ의 나노구조화를 제어하는 것만으로도 고성능의 박막형 고체산화물연료전지 공기극을 구현하는데 성공했다.

정우철 교수는 "이번 연구에서 사용된 전극 코팅 기술은 쉽고 대량생산이 가능한 전기화학도금을 활용했기 때문에 기술적 가치가 뛰어나다"며 "향후 박막형 고체산화물연료전지의 백금 전극을 대체할 수 있어 가격 저감을 통한 시장경쟁력 제고가 기대된다"고 말했다.

서한길 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국에너지기술평가원과 한국전력공사의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난 5일자 표지 논문으로 게재됐다. 

코팅된 나노구조체 유무에 따른 전극성능 변화.<자료=KAIST 제공>코팅된 나노구조체 유무에 따른 전극성능 변화.<자료=KAIST 제공>
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