[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는 모든 구성요소가 고체로 이뤄진 연료전지*다. 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하며, 전해질의 손실이나 보충, 부식의 문제가 없다. 또 작동 시 배출되는 열을 활용한 복합발전까지 가능해 에너지 전환 효율이 높은 등 많은 장점을 지니고 있다.

기존 SOFC에서는 연료극으로 ‘니켈 서멧(Ni cermet)’이라는 세라믹스와 금속의 합금 소재가 쓰였다. 이 소재는 연료가 산화될 때 촉매 활성이 높다는 장점을 가지지만 탄화수소(천연가스, 메탄, 프로판, 부탄 등)을 쓸 경우 몇 가지 문제점이 있었다. 먼저 연료가 완전히 산화되지 못하면서 연료에 포함된 탄소(C)가 연료극 표면에 침적된다. 또 연료에 포함된 황(S) 불순물이 연료극을 손상시켜(피독) 장기간 작동하기 어렵다. 이 때문에 다양한 탄화수소계 연료를 사용할 때 출력 성능을 장시간 안정적으로 보장할 수 있는 SOFC의 개발 연구가 필요하다.

기존 연구에서는 탄화수소용 연료전지 전극을 만들기 위해 니켈(Ni)을 구리(Cu)와 세륨(Ce) 등으로 대체한 새로운 서멧 계열 전극을 개발했다. 이런 전극들은 탄화수소를 연료로 사용해도 안정적으로 작동했으나, 니켈 서멧 전극의 성능을 따라가지 못했다. 이를 보완하기 위해 연료극 제조과정에 촉매를 외부에서 넣어주는 함침법(infiltration)이나 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등을 사용해 초기 성능을 보완했다. 그러나 SOFC가 작동하는 고온에서 촉매 입자들이 응집돼 비대화되면서 반응 표면적이 감소돼 전기화학적 성능이 감소한다는 한계가 있다.

따라서 본 연구에서는 탄화수소를 연료로 사용하면서도 ‘저비용 고효율성’을 가지는 새로운 형태의 연료극과 그 공정법을 개발하고자 했다.

^*연료전지: 화학 전지는 화학 변화가 일어날 때의 에너지 변화를 전기 에너지로 바꾸는 장치다. 일반적으로 전극을 구성하는 물질과 전해질을 용기 속에 넣어 반응시키지만, 연료전지는 외부에서 수소와 산소를 공급해서 전기 에너지를 낸다. 이는 마치 연료와 공기의 혼합물을 엔진 속에 공급해 연소시키는 것과 유사하다. 이와 같이 연료의 연소와 유사한 화학 전지를 연료전지라고 한다. 연료전지에 공급된 수소는 연소시키는 게 아니라 수용액에서 전자를 교환하는 산화 · 환원 반응이 진행되며, 그 과정에서 수소와 산소가 물로 바뀐다. 이때 에너지가 전기로 전환된다.

2. 연구내용

본 연구에서는 열적․화학적 안정성을 가지는 이중층 페로브스카이트 시스템을 기반으로 ‘스마트 촉매 자가 재생법(exsolution)’과 ‘이온 위치 교환 현상’을 활용했다. 그 결과 탄화수소 연료를 사용했을 때도 안정성이 높으며 고성능을 가지는 새로운 형태의 연료극 물질을 개발했다.

스마트 촉매 자가 재생법은 SOFC 작동 환경에서 연료극 내부에 있던 촉매 물질이 연료극 표면으로 올라오는 현상이다. 기존처럼 외부에서 촉매를 첨가해주는 등의 추가 공정 없이, SOFC가 작동하는 환경에서 연료의 산화 반응을 돕는 촉매를 사용하면 되므로 공정이 단순하다. 더불어 이번 연구에서는 이온 위치 교환 현상을 활용해 연료극 표면으로 올라오는 촉매의 수를 극대화하고, 성능을 더욱 향상시켰다.

연구팀이 개발한 전극 소재의 성능을 시험한 결과, 800℃에서 1.8W㎝⁻²의 최대 출력 밀도가 나왔다. 이는 기존 세라믹 전극 소재보다 2배 이상의 높은 성능이다. 또한 메탄(CH₄) 가스의 개질 과정에서 이산화탄소 변환효율이 기존에 보고된 전극 소재보다 약 2배 정도 뛰어난 촉매 특성을 증명했다.

3. 기대효과

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

연료전지 세계 시장 규모는 1조 8000억 원으로 연평균 85% 성장세를 보이고 있다. 미국 에너지부(United States Department of Energy, DOE)도 2020년경 세계 연료전지 시장 규모가 400억 달러(42조 원) 수준에 이를 것으로 전망했으며 이 중 발전용 연료전지 시장은 64억 달러(6조 8000억 원)에 이를 전망이다. 이번에 새로 개발한 연료극 물질로 SOFC 제조원가 비용절감이 가능하게 되면, 상용화 역시 앞당겨질 것으로 예측된다.

또한 연료전지 산업계에서 문제점으로 지적돼 온 안정성 문제와 더불어 연료 선택성 문제도 동시에 해결할 수 있는 단서를 제공함으로써 세계 연료전지 산업을 선도할 계기가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)

○ 산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂) 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지. 수소를 연료로 사용해 공기 중 산소와 화학반응시켜 전기를 생성한다.

○ 전해질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극(연료극, 공기극)으로 된 연료전지는 공기 중의 산소가 공기극을 지나고 수소가 연료극을 지날 때 전기화학 반응을 통해 전기와 물, 열을 생성한다.

○ 연료의 연소반응 없이 에너지를 만들 수 있어 기존 내연기관과 달리 황, 질소산화물 등 유독물질 배출이 없고 에너지 효율도 60% 이상으로 다른 에너지원에 비해 높다.

2. 이중층 페로브스카이트 (Layered Double Perovskite)

○ 일반 페로브스카이트는 이온 반경이 큰 희토류 등 원소들과 원자반경이 작은 전이금속 그리고 산소이온에 의해서 8면체를 이루는 물질이다.

○ 이중층 페로브스카이트는 이온 반경이 큰 원자를 일부 치환함으로써 원자크기의 차이로 규칙적으로 층이 만들어지는데 일반 페로브스카이트에 비해 산소이동도와 수소 생성 환경에서의 구조 안정성이 우수해 고체산화물 연료전지의 성능 과 안정성 향상에 기여하는 것으로 판단된다.

3. 스마트 촉매 자가 재생(Exsolution)

○ 환원 분위기 시 페로브스카이트 구조에서 격자에 있는 전이금속이 표면으로 올라오는 현상이다.

○ 표면으로 올라온 나노입자들은 수소 및 탄화수소 산화 촉매 역할을 한다.

4. 이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange)

○ 각각 다른 이온이 서로 위치를 교환하는 현상이다.

○ 환원 분위기 시 페로브스카이트 구조 격자에 있는 코발트(Co)는 표면으로 나오고 표면에 있던 철(Fe)은 코발트(Co) 격자로 들어가 그 자리를 대체했다.

○ 이번 연구에서는 스마트 촉매 자가 재생과 이온 위치 교환 현상을 동시에 활용해 연료전지의 성능을 극대화했다.

[붙임] 그림설명