오래써도 끄떡없는 '고효율 연료전지' 개발 가능해졌다

오래써도 끄떡없는 '고효율 연료전지' 개발 가능해졌다

촉매 내부 물질이 표면으로 올라와 합금을 이루는 과정을 나타낸 모식도. 울산과학기술원 제공.

연료전지는 수소, 알코올, 천연가스 등의 연료를 즉시 전기로 변환하는 장치다. 연료전지의 효율을 끌어올리는 ‘촉매’가 합금으로 변환되면서 저절로 효율이 높아지는 신개념 촉매를 국내 연구진이 처음으로 개발했다. 에너지기술 분야 산업효율 증대가 기대된다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀은 같은 학교 정후영 교수팀과 신지영 숙명여대 교수팀, 한정우 서울시립대 교수팀, 정후영 UNIST 교수팀과 공동으로 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 성능을 높일 새로운 연료극 소재(촉매)를 개발했다고 5일 밝혔다.

SOFC 연료전지는 수소를 사용해 연료전지로 전기를 만들면 공해물질 없이 물만을 배출하므로 가장 이상적이다. 다만 수소는 생산과 저장이 까다로워 천연가스, 메탄, 프로판, 부탄가스 등의 탄화수소 연료를 사용하는 SOFC 개발이 활발하다. 그러나 SOFC에 탄화수소 연료를 사용하면 촉매의 효율이 지속적으로 떨어지는 것이 단점으로 지적돼 왔다. 탄화수소 계열의 연료에 포함된 탄소나 황 등으로 촉매 표면이 오염되면서 성능이 떨어지기 때문이다.

공동연구진은 연료전지가 작동과정에서 내부 물질이 표면으로 올라와 합금으로 굳어지기 독특한 방식을 고안해 촉매 수명을 장시간 유지하는데 성공했다. 연‘이중층 페로브스카이트’라 불리는 특수 구조로 새로운 촉매를 설계했다. 전기 생산에 필요한 화학반응을 돕는 물질(코발트, 니켈)을 심어뒀다가, 연료전지가 작동하면 저절로 올라와 합금을 형성한다.

실험결과 새롭게 개발한 촉매는 메탄가스를 연료로 사용해 500시간 이상을 사용해도 성증저하가 전혀 없이 안정적으로 작동했다. 반응효율도 기존에 보고된 촉매보다 4배 뛰어난 것으로 확인됐다.

연구를 주도한 권오훈 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “기존에는 전극을 만들 때 코발트와 니켈 등 촉매반응을 높이는 이들 물질을 단순히 첨가하는 수준에 그쳤는데, 새로운 촉매는 점점 더 표면으로 올라오도록 설명한 것이 차이점”이라고 설명했다.

김건태 교수는 “새로 개발한 금속 합금 촉매는 우수한 촉매 성능을 보여 연료전지의 대중화에 크게 기여할 기술이 될 것”이라고 밝혔다.

이 연구성과는 학술지 ‘재료화학 A’에서 ‘주목할 논문(Hot Paper)’으로 뽑혔으며 9월 7일자 표지논문으로도 게재될 예정이다.
 

9월 7일 발간될 학술지 JMCA 표지논문. JMCA 제공.