[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는 모든 구성요소가 고체로 이뤄진 연료전지다. 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하며, 전해질의 손실․보충․부식의 문제가 없다. 또 에너지 전환효율이 높고 오염물질 배출이 전혀 없는 등 많은 장점을 지니고 있다.

SOFC의 연료극에는 니켈 서밋(Ni cermet: 세라믹스와 금속의 합금) 소재가 보편적으로 사용된다. 이 물질은 연료가 산화될 때 촉매 활성이 높은 장점이 있지만 탄화수소(천연가스, 메탄, 프로판, 부탄 등)를 사용하면 연료가 완전히 산화되지 못하는 단점이 있다. 그러면 연료에 포함된 탄소(C)가 연료극 표면에 침적되고 연료에 포함된 황(S) 불순물의 독의 영향을 받아 연료전지를 장기간 작동시키기 어려워진다. 이 때문에 다양한 탄화수소계 연료를 사용하면서도 출력 성능을 장기간 안정적으로 보장할 수 있는 SOFC 개발이 필요한 형편이다.

탄화수소용 연료전지 전극을 만들기 위한 기존 연구에서는 니켈을 구리(Cu)와 세륨(Ce) 등의 물질로 대체한 서밋 계열 전극이 개발됐다. 이런 전극들은 탄화수소를 사용해도 안정적으로 작동했지만 니켈 서밋의 성능을 따라가지 못했다. 성능을 보완하기 위한 방법으로는 외부에서 넣어주는 ‘함침법(infiltration)’, ‘화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)’ 등이 사용됐다. 이 방법들은 연료전지 사용 초기 성능을 보완했다. 그러나 SOFC 작동 환경인 고온에서 촉매 입자들이 응집되는 촉매 비대화 현상이 일어나 반응 표면적을 줄이게 되면서 전기화학적 성능이 점차 감소하는 단점이 나타났다.

이번 연구에서는 탄화수소 연료를 사용하면서도 고효율을 보이는 저렴한 연료극 물질을 개발하고, 간단한 공정법을 제안하고자 했다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 열적․화학적 안정성을 가지는 ‘이중층 페로브스카이트’와 ‘용출(exsolution) 현상’을 이용해 외부 촉매를 추가하지 않고도 높은 효율과 안정성을 가지는 새로운 형태의 연료극 물질을 개발했다. 이 물질을 연료극으로 쓴 SOFC는 탄화수소를 연료로 사용해도 안정적으로 작동했으며, 공정법도 매우 간단하다는 점에서 SOFC 상용화를 앞당길 것으로 전망되고 있다.

용출은 SOFC가 작동할 때 연료극 내부에 있던 전이금속이 표면으로 올라오는 현상을 말한다. 이 전이금속이 촉매 역할을 하기 때문에 추가로 촉매를 첨가하는 공정 없이도 수소와 탄화수소 연료의 산화반응을 촉진시킬 수 있다. 외부 촉매 첨가 방식에서 필요한 추가 공정을 없앨 수 있고, 실제 연료전지 작동 환경에서 자연스럽게 일어나는 현상이기 때문에 제조 공정이 매우 간단하다. 이번 연구에서는 이중층 페로브스카이트 구조의 촉매 물질들의 용출 정도를 비교했다. 이를 통해 원하는 촉매 물질의 구성을 선택적으로 조절할 수 있는 방법도 개발했다.

연구팀이 개발한 전극 소재의 성능을 시험한 결과 700℃에서 프로판을 연료로 사용했을 때, 탄소 침적이 일어나지 않았으며 200시간 이상 안정성 평가에서도 전류 강하가 전혀 발생되지 않았다. 또 800℃에서 수소를 연료로 사용했을 때 1.2W/cm2의 출력을 보여 기존에 보고된 전극 소재보다 뛰어난 출력 성능과 안정성을 보였다.

3. 기대효과

연료전지 개발에서 가장 중요한 부분은 재료 개발이다. 최근 선진국을 중심으로 박막 전해질을 개발하는 세라믹 공정으로 저항을 감소시키고 출력을 배가해 SOFC의 제작비용을 낮추는 연구가 진행되고 있다. 이번에 개발한 새로운 연료극 물질은 SOFC의 제작비용을 절감할 또 하나의 중요한 핵심요소가 될 것으로 기대된다.

연료전지 세계 시장 규모는 1조 8000억 원으로 연평균 85% 성장세를 보인다. 미국 에너지부(United States Department of Energy, DOE)도 2020년경 세계 연료전지 시장 규모가 400억 달러(42조 원) 수준에 이를 것으로 전망했으며, 이중 발전용 연료전지 시장은 64억 달러(6조 8000억 원)로 예상된다. 이번 연료극 물질 개발로 SOFC 제조원가 비용절감이 가능하게 돼 상용화도 앞당겨질 것으로 예측된다.

기존 물질에 비해 뛰어난 탄소 저항성과 높은 성능이 보장된 SOFC의 연료극은 환경친화적인 SOFC 상용화에 큰 역할을 할 것으로 판단된다. 또 연료전지 산업계에서 문제점으로 지적돼 온 안정성 문제와 연료 선택성 문제도 동시에 해결할 수 있는 단서를 제공함으로써 세계 연료전지 산업을 선도할 계기가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 고체 산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell)

산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지. 수소를 연료로 사용해 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생성하는 미래 동력원이다. 전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극(연료극, 공기극)으로 이뤄진다. 공기 중 산소가 공기극을 지나고 수소가 연료극을 지날 때 전기화학반응을 통해 전기와 물, 열을 생성한다. 연료의 연소 반응 없이 에너지를 만들 수 있어 기존 내연기관과 달리 황, 질소산화물 등 유독물질의 배출이 없고 에너지 효율도 60% 이상으로 다른 에너지원에 비해 높다.

2. 이중층 페로브스카이트(layered perovskite)

일반 페로브스카이트는 이온반경이 큰 희토류 등 원소들과 원자반경이 작은 전이금속 그리고 산소이온에 의해서 8면체를 이루는 물질이다. 이중층 페로브스카이트는 이온반경이 큰 원자를 일부를 다른 원자로 치환함으로써 원자 크기가 달라지고 규칙적으로 층이 만들어지게 된다. 이중층 페로브스카이트는 일반 페로브스카이트에 비해 산소 이동도와 수소 생성 환경에서의 구조 안정성이 우수해 고체 산화물 수전해 전지의 성능과 안정성 향상에 기여하는 것으로 판단된다.

3. 용출(exsolution)

페로브스카이트 구조의 물질이 고온에서 산소를 잃어버릴 때(환원 분위기) 내부에 있는 전이금속이 표면으로 올라오는 현상이다. 표면으로 올라온 나노 입자들은 수소와 탄화수소를 산화시키는 촉매 역할을 한다. 이번 연구에서는 이중층 페로브스카이트에 다양한 전이금속들을 도핑해 각 전이금속들의 표면으로 올라오는 정도를 비교하고 전기화학적 평가까지 했다.

[붙임] 그림 설명