UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)는 김건태 에너지및화학공학부 교수 연구팀과 신지영 숙명여대 교수, 한정우 서울시립대 교수, 정후영 UNIST 교수 등 공동 연구팀이 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 성능을 높일 새로운 고성능 촉매 소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

고체 산화물 연료전지는 공기 중 산소를 수소나 탄화수소 등의 연료와 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 유해물질 배출이 적고 작동하면서 나오는 열까지 쓸 수 있어 발전효율이 90% 이상으로 알려졌다.

하지만 기존 고체 산화물 연료전지에 쓰이는 촉매에 탄화수소 계열의 연료를 쓰면 급격히 성능이 떨어진다. 탄화수소 계열의 연료에 포함된 탄소나 황 등으로 촉매 표면이 오염되면서 성능이 악화된다. 이를 해결하려면 촉매 성능을 높이는 물질을 더하는 추가 공정이 필요했다.

연구팀은 기존 고체 산화물 연료전지의 문제를 이중층 페로브스카이트 구조로 설계한 새로운 촉매로 해결했다. 전기 생산에 필요한 화학반응을 돕는 물질(코발트·니켈)을 이중층 페로브스카이트 구조에 심어뒀다. 이후 연료전지가 작동하면 저절로 올라와 합금을 형성하도록 만들었다.

제1저자인 권오훈 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "코발트와 니켈은 고체 산화물 연료전지 작동 시 효과적인 촉매 물질로 알려져 있다"라며 "기존에는 전극을 만들 때 이들 물질을 추가했는데 새로운 촉매는 고체 산화물 연료전지 작동 시 표면으로 올라와 '코발트-니켈 합금'을 이루면서 성능을 유지했다"고 설명했다.

연구팀이 개발한 촉매는 메탄가스를 연료로 직접 사용해 500시간 이상 전류의 강하가 전혀 없이 안정적으로 작동했다. 또 촉매의 활성화 정도만 따졌을 때도 기존에 보고된 촉매보다 4배 뛰어난 반응 효율을 보이는 것으로 확인됐다.

김건태 교수는 "기존 고체 산화물 연료전지 연료극 촉매는 탄화수소 연료를 직접 사용했을 때 초기에 높은 성능을 보여도 오랫동안 안정적으로 작동하기는 어려웠다"라며 "새로 개발한 금속 합금 촉매는 우수한 촉매 성능을 보여 연료전지의 대중화에 크게 기여할 기술이 될 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 '재료화학 A(Journal of Materials Chemistry A)'에서 주목할 논문으로 뽑혔고 7일 일자 표지로도 선정됐다.