연료전지용 Ｍ／Ｎｉ―ＹＳＺ 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용한 연료전지 document_id A220623111572

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 친환경적으로 직접 변환시킴으로써 높은 효율을 나타낼 수 있다는 점에서 매우 유용한 기술분야이다. 그러나 현 연료전지의 주요 한계점은 수소를 연료로 사용한다는 데 있다. 수소는 가장 이상적인 미래의 연료이지만 수소의 지속 가능한 생산 및 저장 문제는 아직 해결되지 않고 있다. 이러한 상황에서 수소뿐만 아니라 탄화수소를 연료로 사용하는 고체 산화물 연료전지(SOFC)에 대한 연구가 진행되고 있다. 현재 고체산화물 연료전지(SOFC)의 연료극으로는 Ni-YSZ cermet을 가장 일반적으로 사용한다. Ni-YSZ cermet은 가격이 저렴하며, 고온의 환원분위기에서 안정하고, SOFC의 일반적인 작동온도에서 수소의 반응을 위해 충분한 전자전도도와 촉매반응성을 가진다. 그러나 니켈은 수소의 전기화학적 산화에 대해 뛰어난 촉매임에도 불구하고, 천연가스나 메탄을 직접 연료로 사용하면 탄소증착에 의해 활성 분극이 매우 높아져서 전지 성능이 크게 저하된다. 미량의 탄소 침적은 셀의 성능 향상에 도움이 되지만 많은 양의 탄소침적의 경우 촉매활성이 급격히 감소하여 작동이 불가능하게 된다. 특히 니켈 촉매상에서의 탄소증착은 연료전지에서뿐만 아니라 여러 시스템에서 문제가 되고 있어, 이를 해결하기 위해서 많은 연구들이 진행되고 있다. 이 중에서 니켈 촉매에 미량의 다른 금속을 도핑할 경우 코킹 현상을 줄일 수 있다는 연구가 보고되었다. 미국 미시간 대학교의 Linic 그룹에서는 수증기 개질 반응에서 촉매로 사용되는 니켈에 대하여 주석을 도핑하였을 때 코킹 현상이 크게 줄어들고 따라서 촉매의 장기안정성이 향상된다고 보고하였다 (Journal of Catalysis, 250 (2007) 85-93). 또한 일본 도쿄기술대학의 Otsuka 그룹에서는 탄소침적을 최소화하는 Pd-Ni/Ce(Sm)O2-La(Sr)CrO3 물질을 개발하였다(Journal of Physical Chemistry C, 112 (2008) 10308-10315). 그러나 이러한 연구들은 수증기 개질 반응을 위한 촉매 특성에 대한 연구이거나, 연료전지 음극 촉매를 목적으로 하였다 할지라도 실질적인 연료전지 테스트 결과를 보고하고 있지 않다. 즉 탄화수소를 연료로 하는 경우 탄소침적을 최소화하는 음극촉매재료 개발에 대한 연구는 학계에서도 최근에서야 이루어지고 있으며, 그 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있다 할 수 있다. 이제까지 Ni/YSZ를 음극 촉매로, 수소를 연료로 사용할 경우 이미 많은 연구 결과가 보도 되었으며 그 성능이 입증된바 있으므로 탄화수소 연료를 사용하는 경우의 문제점인 탄소침적현상이 해결된다면 탄화수소 연료를 직접 사용할 수 있는 SOFC 연료전지의 실용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 생각된다.