향상된 산소 이동 특성을 가지는 고체산화물연료전지 나노구조 박막

고체산화물연료전지(Solid oxide fuel cells, SOFCs)는 화학에너지를 전기로 직접 변환시키는 연료전지의 한 종류입니다.다. 전력생산 효율을 높일 수 있으며, 친환경적인 기술이기에 미래 에너지원으로서 매우 유망합니다.

SOFC의 핵심 부분은 이온 전도성을 가지고 있는 산화물 전극입니다. 산화물 전극은 산소 이온을 산소 공공(vacancy)을 통하여 선택적으로 전달하는 역할을 합니다. 따라서 효율을 높이기 위해서는 산소 표면 반응속도(kinetics)를 높이는 것이 매우 중요합니다. 가스와 전극 사이 경계면에서 산소의 흡수를 결정하기 때문입니다. 학술지 Nanotechnology에서 발표된 이번 연구에서는 이러한 반응에 미세구조가 어떤 영향을 미치는지 보고하였습니다.

현재 고체산화물연료전지에서는 이트리아가 첨가된 지르코니아 전극(yttria-stabilized zirconia electrolyte)이 보편적으로 사용되고 있습니다. 이를 대체하는 물질로 Gd2O3가 도핑된 세리아(GDC)가 부각되고 있습니다. 600~800도의 온도 범위에서 높은 이온전도성을 가지기에 고체산화물연료전지를 상대적으로 낮은 온도에서 효율적으로 동작시킬 수 있습니다.

향상된 산소 이동 특성에 미치는 미세구조의 효과

효율성이 높은 고체산화물 연료전지를 개발하기 위해서는 GDC 표면이 달리지면 산소의 표면 이온교환에 어떠한 영향을 미치는지 이해해야 합니다. 이번에 일본 츠쿠바의 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST) 연구진은 메커니즘을 밝혀내는데 성공했습니다. 연구진은 펄스 레이저 증착법으로 성장시킨 에피택셜(epitaxial) GDC 박막을 이용하여, 산소 표면 반응에 미치는 미세구조의 강력한 효과를 밝혀내는 데 성공했습니다.

고체산화물연료전지 나노구조 박막의 높은 산소 공공 밀도

특히 매우 잘 정렬된 나노구조 위에 성장된 GDC 박막이 산소 결합을 향상시킨다는 사실을 확인했습니다. 그리고 동일하게 준비한 GDC 필름을 고온에서 어닐링하여 미세구조를 변화시킨 경우와 비교하였습니다. 나노구조 GDC 박막은 나노 기둥이 전체적으로 골고루 분포되어 있다.

이러한 결과는 결정립계의 높은 밀도와 높은 표면적을 의미합니다. 또한 동시에 높은 밀도의 산소 공공을 가지게 합니다. 이러한 항목들은 모두 산소 이동을 향상시키는데 필요한 중요 인자입니다. 이번 연구결과는 전극물질로 산소 유입을 추가로 향상시키기 위해서는 나노구조체 표면을 통한 반응을 향상시켜야 한다는 것을 말해줍니다.