금속 받침 고체 산화물 연료 전지 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-30

고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)는 일종 전체 고체 상태의 에너지 변환 장치로서 전기화학 반응은 연료(예를 들면 수소, 천연가스 등) 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키게 된다. SOFC는 효율성이 높고, 오염 물질 배출이 적고, 소음이 없는 등 강점을 보유하고 있기 때문에 대형 발전소, 분산식 발전소, 가정용 열 발전 연합 공급 시스템, 자동차 보조 전원 등 분야에서 밝은 응용 전망을 보유하고 있다. 하지만 SOFC 발전 기술은 여전히 상용화 응용 단계에 들어서지 못하고 있는데 그 주요 원인은 원가와 수명 문제에 있는 것으로 나타났다. 신형 금속 받침(Metallic support) 구조는 싱글-셀 기계 강도(Single-cell mechanical strength)를 향상시키고 전지의 열 충격 저항 능력을 증가시키고 SOFC 시스템 원가를 낮출 수 있다. 때문에 최근 금속 받침 SOFC(MS-SOFC)는 세계적 범위 내에서 폭넓은 관심을 받고 있으며 점차 SOFC 연구 분야에서의 새로운 연구 이슈로 부상한 상황이다. 금속 받침 SOFC는 전통적인 전해질 혹은 전극 받침 SOFC에 비해 많은 우세를 보유하고 있을 뿐만 아니라 최근 SOFC 연구 분야에서 신속한 발전을 실현한 상황이다. 하지만 금속 및 세라믹 재료가 물리, 화학 성능 상에서 완전히 다른 특성을 보유하고 있기 때문에 금속, 특히 스테인리스를 SOFC 상에 도입하여 받침대로 활용하는 기술 수단으로 전지 제조 및 전지 운행을 실현할 수 있도록 하는 연구는 SOFC 연구 분야가 직면한 새로운 과제로 되고 있다. 중국과학원 상하이(上海) 세라믹 연구소 잔중량(占忠亮) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 금속 받침 고체 산화물 연료 전지(Metallic support solid oxide fuel cell) 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀은 용액 디핑(Dipping) 기술을 이용하여 Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC) 나노 촉매를 균일하게 다공성 430L 스테인리스 스틸의 내벽에 증착시켜 금속 받침 나노 마이크로 사이즈 복합 양극 ¾Nano-SDC@430L을 형성시키는데 성공하였다. 연구팀은 Nano-SDC@430L 복합 전극은 SDC 촉매의 산화-환원 특성과 430L 스테인리스 프레임워크의 높은 전자 전도 특성을 융합하고 수소의 전기화학 산화 반응에서 우수한 촉매 활성을 나타낼 수 있게끔 하였는데 800°C 및 700°C에서의 표면 비율 전기 저항은 0.10±0.01과 0.18±0.03Ωcm2 수준에 도달하는 것으로 나타났다. 연구팀은 Nano-SDC@430L을 양극으로 하고 산화 이트륨(Yttrium Oxide)의 안정적인 산화 지르코늄(zirconium oxide)을 전해질로 사용함으로써 800°C 및 700°C에서의 연료 전지 피크 파워 밀도를 각각 0.94 W cm−2 및 0.55 W cm−2 수준에 도달시켰다. 연구팀이 디자인한 구조는 금속 받침 전지 연구 분야에서 직면하고 있는 양극 개발 난제를 해결하였을 뿐만 아니라 SOFC의 효율적인 전극 디자인을 위해 새로운 루트를 제공하였으며 낮은 전기 전도율을 보유한 효율적인 촉매를 높은 강도, 높은 전도율, 무 촉매 활성의 스테인리스 프레임워크 속에 도입시키는데 성공하였다. 관련 연구 성과는 Adv.Energy Mater. 학술지에 발표되었다. 이번 연구는 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용, ‘첨단기술 산업화 프로젝트(863 계획)’ 비용 및 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다. 그림 1. 금속 받침대를 활용하여 개발한 고체 산화물 연료 전지 20141229.1.jpg http://www.cas.cn/syky/201412/t20141223_4280863.shtml