배터리 연료전지, 태양전지, 센서 등의 전기화학소자는 전기 에너지와 화학반응의 상호작용을 토대로 물질과 전하 이동을 제어하는 소자로써 최근 들어 청정 에너지 생산 과 전기 에너지의 저장, 대기 정화 등의 글로벌 이슈를 해결하는 수단으로 많은 관심 을 받고 있습니다. 다양한 전기화학소자 에서 가장 주요한 효율 저하 원인은 전극반응의 분극 현상(polarization)이고, 구체적으로 ohm/activation/concentration polarization 으로 세분됩니다.

본 연구에서는 세가지 전기화학적 분극 현상이 모두 나타나는 가장 도전적인 전기화학소자인 고체산화물 연료전지를(solid oxide fuel cell) 대상으로 zero polarization에 가깝게 분극을 감소시킬 수 있는 혁신적 기술을 개발하고자 합니다.

세라믹 멤브레인에서 수소와 산소의 화학반응을 이용하는 SOFC 는 고온 작동에서 기인하는 생산성, 신뢰성 등 의 기술적 문제를 가지고 있어 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 현재 전세계적으로 SOFC 의 작동온도를 낮추기 위해 연구 신소재 개발, 셀 구조 개량, 제조 공정 개선 등에 집중하고 있지만 기존 고온용 소재와 공정 기술 의 한계를 벗어나지 못해 저온 운전에서 나타나는 심각한 전극 분극 현상을 해결하지 못하고 있습니다. 특히 400°C 미만의 운전 온도는 열적 활성화 기구에 지배를 받는 전해질 멤브레인의 옴 분극과 전해질 전극 촉매 활성 감소에 의한 전극 분극에 의해 합리적인 수준의 작동성능 구현이 불가능합니다. 이 중에서도 특히 전극 분극이 지배적인 성능 손실 요인입니다.  또한 기존 전극 미세구조 및 삼상계면은(triple phase boundary, TPB) 고전적인 관투 및 유효매질이론 기반의 제한적인 3 차원 기하학적 형상을 가지고 있어 저온 SOFC 에 적용될 경우에 원하는 수준의 성능을 얻는 것은 불가능하며, 혁신적 돌파구를 위해서는 TPB 극대화 가 가능한 다차원 구조 설계 및 공정 기술 연구가 절실히 요구됩니다.

본 연구에서는 나노스케일 멀티스탬핑법을 이용하여 나노 구조를 완벽히 제어함으로써 artificial TPB를 구현하고, 고성능 전극, 전해질 재료의 박막화하여, 친환경적이고 경제성과 신뢰성을 확보한 세계 최고 성능의 350°C 극저온 SOFC를 구현할 계획입니다. 이를 통해 이동 기기용 전력원, 가정 상업용 분산 발전기 등에서 에너지 혁신을 이끌고자 합니다.