○ 한국과학기술원 / 배중면(개방형 에너지 클라우드 플랫폼 연구단)
<가역 고체산화물 연료전지에의 활용을 위한 PBMO-LSGM 복합 촉매 개발>
- 주요내용 :
PrMaMn2O5+δ-La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ (PBMO-LSGM) 복합 촉매를 상대적 저온에서 scaffold-infiltration 공정을 이용, 합성하여 이차상의 형성 없이 전극 촉매를 제작하였다. PBMO와 LSGM 파우더 mixture를 이용하여 다양한 온도에서 화학적 정합성 테스트 결과, 섭씨 1000도에서 이차상이 발생하는 것을 확인하였다. 이차상 형성 없이 PBMO 촉매를 LSGM 전해질과 함께 사용하기 위하여 LSGM scaffold에 PBMO nitrate 용액을 이용하여 섭씨 1000도 미만의 온도에서 촉매 합성에 성공하였다. PBMO nitrate 용액을 안정적으로 제작하기 위하여 각 target precursor에 대한 solubility 분석, 그리고 용매의 pH 적정을 실시하였다. 제작된 PBMO-LSGM 복합 촉매의 전극 성능을 확인하기 위하여 반전지를 제작하여 여러 온도에서 임피던스를 측정하였고, 개발된 복합 촉매가 다른 perovskite 계열의 촉매 뿐 아니라 높은 성능 때문에 널리 사용되지만 장기 내구성에 약점을 보이는 Ni-YSZ 촉매보다 높은 성능을 보이는 것을 확인하였다.
- 기존 지식/기술 대비 성과의 차별성 : 기존 가역 고체산화물 연료전지는 연료극에 저렴하면서도 높은 성능을 보이는 Ni-YSZ 촉매를 사용하였으나, 산화-환원의 반복적인 환경에서 금속 Ni의 불안정성에 의해 상용화에 이르지 못하고 있다. 이를 해결하기 위하여 perovskite 계열의 산화물 촉매를 이용하는 다양한 시도가 있었으나, 매우 낮은 전기전도도와 촉매활성도에 의해 효과적이지는 못했다. 본 연구에서는 산화물 촉매 중 매우 높은 전기전도도를 가지는 layered perovskite 계열의 PBMO 산화물 촉매, 그리고 고체산화물 전해질 물질 중에서 매우 높은 이온전도도를 가지는 LSGM의 복합 촉매를 상대적 저온에서 이차상 없이 합성하여 기존 촉매 대비 매우 높은 성능을 보였다.
- 주요 기능/사양
19.7 wt% PBMO-LSGM 복합 전극 촉매 / 활성화 에너지 0.45 eV (수소환경)
이차상이 발생하는 섭씨 1000도 미만에서 합성하는 Scaffold- infiltration 공정으로 제작됨.
산화물 촉매로서, 산화-환원이 반복되는 환경에서 미세구조의 변화 없이 안정적으로 구동될 것으로 판단됨.
- 기대효과 및 향후계획 :
세계적으로 수소 에너지와 수소를 사용하여 전력을 생산 혹은 전력을 이용하여 수소를 생산하는 연료전지와 전해조에 대한 관심은 나날이 커져가고 있다. 가역 고체산화물 연료전지는 연료전지의 기능과 전해조의 기능을 하나의 셀 혹은 스택에서 작동할 수 있는 기술로서, 연료극 촉매는 산화와 환원을 반복하는 환경에 노출되므로 기존에 고체산화물 연료전지의 연료극 촉매로 사용되는 Ni-YSZ 촉매는 내구성에 한계를 보인다. 내구성과 성능의 두 마리 토끼를 한 번에 잡을 수 있는 PBMO-LSGM 복합 촉매의 개발은 가역 고체산화물 연료전지의 기술 개발에 큰 영향일 끼칠 것으로 판단된다. PBMO-LSGM 복합 촉매의 전극 성능 평가를 넘어서 실제 셀을 제작, 가역적으로 구동하고 산화-환원 반복에 대한 내구성 평가가 향후에 진행될 것이다.
- 논문 실적 (1건)
1) “Development of a PrBaMn2O5+δ-La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ composite electrode by scaffold infiltration for reversible solid oxide fuel cell applications”, International Journal of Hydrogen Energy, 2020, 45, 1748-1758.
* 활성화 에너지의 값은 전극의 촉매 활성도를 가장 객관적이고 정량적으로 나타낼 수 있는 값이므로, 개발된 촉매의 활성화 에너지를 선행연구와 비교하여 개발된 촉매의 우수성을 입증할 수 있다. 다만, 활성화 에너지를 구하는 실험 환경이 완전히 동일하다면 완벽한 비교가 가능하지만, 아직 상용화된 기술이 아니므로 성능 측정을 측정하는 표준 환경이 제시된 바 없어 연구의 목적 별로 측정 환경이 다소 다를 수 있는 점은 감안해야한다.
<초기 가열 속도가 박막 고체산화물 연료전지의 임피던스 특성에 미치는 영향에 대한 연구>
- 주요내용 : 박막 고체산화물 연료전지는 상대적 저온에서 작동하기 때문에 기존 고정형 및 발전용으로 제한되던 고체산화물 연료전지의 적용 분야를 mobile/transport까지 확장할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 mobile 및 transport 분야에서 작동하는 에너지 기기는 빠른 시동 및 on-off가 필수적이다. 본 연구는 섭씨 450도에서 작동하는 박막 고체산화물 연료전지를 상온에서부터 작동 온도인 섭씨 450도까지 여러 초기 가열 속도를 통해 승온하였을 때의 임피던스 특성을 비교 분석하였다. 빠른 가열을 가했을 경우에 박막 전해질 계면의 grain 성장이 빠르게 일어나는 것을 확인하였고, 이에 따라 패러데이 저항이 증가하여 셀 성능이 절반 수준으로 감소하였다. 스퍼터링을 통하여 상온에서 코팅되는 박막 전해질을 섭씨 400도에서 pre-annealing을 실시하여 단위전지를 제작하는 경우 성능 감소율이 1/3 수준으로 완화되었다.
- 기존 지식/기술 대비 성과의 차별성 : 기존에는 초기 가열 속도가 지나치게 빠른 경우 열팽창에 의해 세라믹 기판이 깨질 수 있다는 정도의 선행 연구 결과 정도가 제시되어 있었으나, 본 연구에서는 박막 고체산화물 연료전지의 미세구조 변화, 그리고 그에 따른 전기화학적 변화를 측정 및 분석함으로써 보다 체계적이고 정량적으로 mobile/transport 분야 적용을 위한 저온 고체산화물 연료전지의 설계를 가능하게 하였다. 또한, 초기 가열 속도가 전기화학적 성능에 끼치는 영향을 완화시키기 위한 전략도 제시되었다.
- 세계 최고 수준의 성과와 비교 : 본 연구와 같은 주제의 선행연구는 수행된 바 없다.
- 주요 기능/사양
분당 10도, 30도, 50도의 초기 가열 속도로 상온에서 섭씨 450도까지 승온/박막 고체산화물 연료전지의 임피던스
분당 10도의 초기 가열속도로 승온된 박막 고체산화물 연료전지의 패러데이 저항은 5.62 Ωcm2였으나, 분당 50도로 가열되는 경우 13.09 Ωcm2로서 2배 이상 증가함.
최대 전력 밀도 또한 분당 10도의 가열속도보다 분당 50도의 가열 속도에서 절반 이하로 감소하였음.
상온에서 스퍼터링을 통해 코팅되는 박막 전해질을 pre-annealing하는 경우 가열 속도 증가에 따른 패러데이 저항의 증가율이 1/3 수준으로 완화됨.
- 기대효과 및 향후계획 : 상대적으로 저온에서 작동하는 박막 고체산화물 연료전지의 활용 분야가 mobile/transport 분야에서 적용될 수 있는 가능성을 열 수 있음. 향후에는 금속지지체 등의 플랫폼에서 본 연구 결과를 활용하여 더욱 빠른 가열 속도 혹은 thermal cycling 등의 실험을 통해 열적 내구성에 대한 연구가 필요하며, 나아가서는 대면적 단위전지와 스택으로 이를 검증하고 활용할 수 있다.
- 논문 실적 (1건)
1) “Influence of the start-up rate on the electrochemical impedance of a low-temperature solid oxide fuel cell fabricated by reactrive sputtering”, Thin Solid Films, 2019, 689, 137445.
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