'이온 자리 교체’로 고성능 연료전지 만든다

김건태 UNIST 교수팀, 탄화수소 쓰는 연료전지 소재 개발
철과 코발트 위치 바뀌게 해 촉매수 극대화

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길애경 기자 - 2019.02.11

작동시 외부에서 넣은 이온과 연료극 물질 안에 있는 이온이 서로 자리를 바꾸도록 하는게 핵심이다.<사진=UNIST>작동시 외부에서 넣은 이온과 연료극 물질 안에 있는 이온이 서로 자리를 바꾸도록 하는게 핵심이다.<사진=UNIST>

국내 연구팀이 이온의 자리를 바꿔 고체산화물 연료전지의 출력과 에너지 전환 효율을 높일 수 있는 방법을 개발, 상용화 가능성을 제시했다.

UNIST(총장 정무영)는 김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀이 '이온 위치 교환' 현상을 활용해 고체산화물 연료전지에서 연료극 물질의 안정성과 성능을 강화할 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.

고체산화물 연료전지는 모든 구성요소가 고체로 이뤄진 연료전지다. 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고 소재도 상대적으로 저렴하며 전해질 손실이나 부식 문제가 없다.

연료극에는 주로 세라믹스와 금속의 합금인 니켈 서멧(Ni cermet) 소재가 쓰인다. 하지만 이는 연료와 산소의 반응을 촉진하는 능력이 좋지만 탄화수소(천연가스, 메탄, 프로판, 부탄)를 연료로 쓰면 탄소가 연료극 표면에 쌓이면서 오래 작동시킬 경우 안정성이 떨어졌다. 또 연료에 포함된 황 불순물이 연료극을 손상시켜 장기간 작동하기 어려운게 사실이다.

이 문제를 해결하기 위해 스마트 촉매 자가재생에 관한 연구가 활발하다. 기존연구에서는 탄화수소용 연료전지 전극을 만들기 위해 니켈(Ni)을 구리(Cu)와 세륨(Ce) 등으로 대체한 새로운 서멧계열 전극을 개발했다. 이는 탄화수소 연료에도 안정적으로 작동했으나 니켈 서멧 전극의 성능을 따라가지 못했다.

연구팀은 열적, 화학적 안정성을 갖는 이중층 페로브스카이트 시스템 기반 '스마트 촉매 자가 재생법'과 '이온 위치 교환 현상'을 활용했다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때 철(Fe)을 넣어 코발트와 자리를 바꾸게 만든 것이다. 그 결과 탄화수소 연료를 사용해도 안정성이 높으며 고성능을 갖는 새로운 형태의 연료극 물질을 개발했다. 즉 이온 위치 교환 현상을 이용해 연료극 표면으로 올라오는 촉매 수를 극대화하고 성능을 향상시켰다.

연구팀에 의하면 페로브스카이트 구조 속 전이금속마다 표면으로 올라오는 정도가 다르다. 투과전자현미경 분석결과 외부에서 넣어준 철은 상대적으로 표면에 올라오려는 특성이 작아 페로브스카이트 구조 안으로 들어갔다. 반대 특성을 가진 코발트는 페로브스카이트 구조에서 빠져나와 표면으로 올라왔다. 특히 외부에서 넣은 철의 양이 증가할수록 코발트가 표면으로 올라오는 양이 늘었다는 게 연구팀(공동 제1저자 권오훈·주상욱 공동제1저자)의 설명이다.

이번에 개발한 전극 소재를 사용한 고체산화물 연료전지의 최대 출력밀도는  800℃에서 1.8W/㎠다. 또 메탄(CH₄)을 직접 연료로 쓸 때 이산화탄소 변환효율도 보고된 전극 소재보다 약 2배 정도 뛰어나다는 평가다.

김건태 교수는 "고체 산화물 연료전지에 다양한 연료를 적용해 안정적으로 전기를 생산하려면 연료극의 성능과 안정성이 뒷받침 돼야 한다"며 "두가지 모두 만족하는 연료극 물질을 개발한 연료전지 상용화에 기여할 것"이라고 기대했다.

한편 이번 연구는 정후영 UNIST 연구지원본부 교수, 한정우 POSTECH 교수, 신지영 숙명여대 교수, 영국 임페리얼칼리지런던 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 교수도 참여했다. 연구결과는 네이처(Nature)의 자매지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 11일 온라인판에 게재됐다.

왼쪽부터 김선아 연구원, 김현민 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원.<사진=UNIST>왼쪽부터 김선아 연구원, 김현민 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원.<사진=UNIST>
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