연료전지에서 전기 생산을 돕는 ‘촉매가 스스로 성능을 높이는 현상’이 보고됐다. 이런 현상을 보이는 촉매를 이용하면 메탄 같은 탄화수소를 직접 써도 안정적으로 작동하는 연료전지를 만들 수 있다.
김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 신지영 숙명여대 교수, 한정우 서울시립대 교수, 정후영 UCRF 교수와 공동으로 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 성능을 높일 새로운 연료극 소재(촉매)를 개발했다. 새 촉매는 연료전지가 작동과정에서 내부 물질이 표면으로 올라와 합금을 이룬다. 이 덕분에 탄화수소를 직접 써도 망가지지 않고 성능을 유지한다.
Journal of Materials Chemistry A 9월 7일자 표지
이번 연구는 ‘촉매 물질이 스스로 합금을 이뤄 반응 효율을 높이는 현상’을 최초로 보고해 ‘재료화학 A(Journal of Materials Chemistry A)’에서 ‘주목할 논문(Hot Paper)’으로 뽑혔다. 또 그 중요성을 인정받아 9월 7일(금)일자 표지로도 선정됐다.
SOFC는 공기 중 산소를 수소나 탄화수소 등의 연료와 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 유해물질 배출이 적고, 작동하면서 나오는 열(heat)까지 쓸 수 있어 발전효율이 90% 이상으로 알려졌다.
수소를 쓰면 물만 배출하는 청정 에너지원이지만, 아직 수소의 생산과 저장이 까다로워 값비싼 형편이다. 따라서 셰일가스를 비롯해 천연가스, 메탄, 프로판, 부탄가스 등의 탄화수소를 직접 쓰는 SOFC 개발이 활발하다.
문제는 기존 SOFC에 쓰이는 촉매가 탄화수소 계열의 연료를 쓰면 급격히 성능이 떨어진다는 점이다. 탄화수소 계열의 연료에 포함된 탄소나 황 등으로 촉매 표면이 오염되면서 성능이 악화된다. 이를 해결하려면 촉매 성능을 높이는 물질을 더하는 추가 공정이 필요했다.
김건태 교수 공동 연구팀은 기존 SOFC의 문제를 이중층 페로브스카이트(Layered Perovskite) 구조로 설계한 새로운 촉매로 해결했다. 전기 생산에 필요한 화학반응을 돕는 물질(코발트, 니켈)을 이중층 페로브스카이트 구조에 심어뒀다가, 연료전지가 작동하면 저절로 올라와 합금을 형성하도록 한 게 핵심이다.
촉매 내부 물질이 표면으로 올라와 합금을 이루는 과정 모식도
제1저자인 권오훈 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “코발트와 니켈은 SOFC 작동 시 효과적인 촉매 물질로 알려져 있다”며 “기존에는 전극을 만들 때 이들 물질을 추가했는데, 새로운 촉매는 SOFC 작동 시 표면으로 올라와 ‘코발트-니켈 합금’을 이루면서 성능을 유지했다”고 설명했다.
실제로 연구진이 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.
이번 연구를 총괄한 김건태 교수는 “기존 SOFC 연료극 소재(촉매)는 탄화수소 연료를 직접 사용했을 때 초기에 높은 성능을 보여도 오랫동안 안정적으로 작동하기는 어려웠다”며 “새로 개발한 금속 합금 촉매는 우수한 촉매 성능을 보여 연료전지의 대중화에 크게 기여할 기술이 될 것”이라고 기대했다.
