산소극 촉매 코팅에 의한 용융탄산염 수전해 셀 성능 개선 연구

Abstract

용융 탄산염 수전해(MCEC)는 용융 탄산염 연료전지(MCFC)를 역으로 작동하여 활용할 수 있는 수소 생산 장치이다. 따라서 이미 상용화가 상당히 진행된 MCFC기술을 기반으로 대량의 수소를 쉽게 생산할 수 있다. MCEC는 650℃의 고온부식 및 산소분위기에서 운전되어 전해질 손실 및 전극 열화에 의해 장기적으로 운전하는데 제한이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전극의 변형을 억제하는 특성을 부여하여 장시간 운전할 수 있다. 또한 저온으로 운전하여 셀의 수명을 증가시킬 수 있다. 하지만 낮은 작동온도로 인해 저하되는 셀의 성능을 유지시킬 수 있는 연구가 필요하다. 따라서 셀의 bottle-neck 영역인 산소극에 촉매를 증착시켜 산소생성반응(OER)을 촉진시킴으로써 셀의 성능을 향상시키고자 하였다. 본 연구에서는 원자 층 증착법(ALD)를 이용하여 촉매를 모든 계면에 얇고 균일하게 증착 함에 따라 전극의 구조를 유지하도록 하였다. 산화물의 산소공공 및 전기음성도 특성을 통해 charge transfer resistance가 감소하였으며, 산소극의 생성물 배출을 원활하게 하기 위해 가스 탈착 성질을 고려하여ZrO2 및 Al2O3 와 같은 산화물을 증착한 결과 최대 20%의 mass transfer resistance를 감소시킬 수 있었다. 산화물 증착에 의한 전극 안정성 향상을 분석하기 위해 니켈 용출 실험을 진행한 결과 증착 두께가 증가할수록 용출 농도가 감소하였다. 두 번째로 Au nanoparticles(AuNPs)를 증착하여 성능을 분석하기위해, HAuCl4를 프리커서로 하여 Sodium Citrate 환원제로 니켈 전극 표면에AuNPs를 증착하였다. 프리커서 농도는 각각 0.001, 0.002 및 0.003 molAu로 하며 5min 동안 증착하는 조건으로 전극을 제조할 수 있었다. AuNPs를 증착한 산소극으로 MCEC를 운전한 결과 산화물과 마찬가지로 가스 탈착 특성을 통해 mass transfer resistance를 최대20% 감소시킬 수 있었다.