^*이 보도자료는 미래창조과학부에서도 배포됐음을 알려드립니다.

* 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell ; SOFC) : 산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂) 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지.수소 또는 탄화수소연료를 공기와 반응시켜 전기와 물을 발생시키는 방식

** 탄소 침적 : 탄화수소 연료를 직접 사용할 경우 분해되는 과정에서 탄소가 발생하여 연료극에 쌓이는 현상

** 황 피독 : 탄화수소 계열 연료를 사용할 경우 불순물로 섞여 있는 황화수소(H₂S) 중 황(sulfur) 성분에 의해 연료극이 피독되는 현상

( 논문명 : Layered Oxygen Deficient Double Perovskite as an Efficient and Stable Anode for Direct Hydrocarbon SOFCs )

* 이중층 페로브스카이트(double perovskite) : 이온반경이 큰 희토류 등 원소와 원자반경이 작은 전이금속, 그리고 산소이온으로 구성된 8면체 물질 페로브스카이트를 이온반경이 큰 원자 일부를 치환해 원자 크기의 차이를 만들어 층을 만든 물질로 산소이동도와 표면특성이 우수하다.

[붙임] 연구결과 개요

연구배경

고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있어 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하며, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또 복합 발전 능력 및 높은 효율과 같은 많은 장점을 지니고 있다.

SOFC의 연료극으로 기존에 보편적으로 사용되고 있는 물질인 니켈 서멧(Ni cermet: 세라믹스와 금속의 합금) 소재는 연료가 산화될 때 높은 촉매 활성을 가지는 장점이 있지만, 탄화수소(천연가스, 메탄, 프로판, 부탄 등)를 연료로 사용할 경우 연료가 완전히 산화되지 못해서 연료에 포함된 탄소(C)가 연료극 표면에 침적되고 연료에 포함된 황(S) 불순물의 피독으로 인해 장기간 연료전지 작동 안정성이 떨어진다는 문제점이 있다. 때문에 다양한 탄화 수소계 연료를 사용할 때 출력 성능을 장시간 안정적으로 보장할 수 있는 SOFC의 개발연구가 필요하다.

이를 위해 탄화 수소계 연료를 사용하였을 때 탄소 침적과 황 피독에 강한 내성을 가짐과 동시에 성능과 안정성의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 연료극 물질을 개발하고자 하였다.

연구내용

본 연구에서는 탄화수소(천연가스, 메탄, 프로판, 부탄 등) 연료를 사용하였을 때 안정성과 높은 성능을 갖는 고체산화물 연료극 물질을 개발하였다. 이중층 페로브스카이트 시스템은 열적 화학적 안정성을 가지고, 전기 전도도와 산소 이온의 이동속도가 뛰어나며, 수소와 탄화수소 연료의 산화반응에 좋은 촉매 활성을 보인다.

연구팀이 개발한 전극 소재의 성능을 시험한 결과 700℃에서 프로판을 연료로 사용하였을 때 탄소 침적이 일어나지 않았고 500시간 이상 안정성 평가를 한 결과 전압 또는 전류의 강하가 전혀 발생되지 않았으며 이는 세계 최고의 성과이다. 또한 850℃에서 수소를 연료로 사용하였을 때 1.7 W/cm2의 출력을 보였고, 프로판을 연료로 사용하였을 때 1.3 W/cm2의 출력을 보여 기존에 보고된 전극 소재보다 뛰어난 출력 성능과 안정성을 보여주어 천연가스, LPG 등의 탄화수소 계열 연료를 직접 사용 할 수 있음을 확인하였다.

기대효과

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

지난해 연료전지 세계 시장 규모는 1조 8000억 원으로 연평균 85% 성장세를 보이고 있다. 미국 에너지성(United States Department of Energy, DOE)도 2020년경 세계 연료전지 시장 규모가 400억 달러(42조원) 수준에 이를 것으로 전망했으며 이 중 발전용 연료전지 시장은 64억 달러(6조 8000억 원)에 이를 전망이다. 따라서 이번 새로운 연료극 물질 개발로 5천억 원 이상의 SOFC 제조원가 비용절감이 가능하게 되어 상용화 역시 앞당겨질 것으로 예측된다.

이처럼 기존 물질에 비해 탄소와 황 등의 불순물에 뛰어난 저항성과 높은 성능이 보장된 고체산화물 연료전지의 새로운 연료극의 개발로 환경 친화적인 고체산화물 연료전지의 상용화에 큰 역할을 할 것으로 판단된다. 또한 연료전지 산업계에서 문제점으로 지적되어 온 안정성 문제와 더불어 연료 선택성 문제도 동시에 해결할 수 있는 단서를 제공함으로써 세계 연료전지 산업을 선도할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 연구결과 문답

Q. 이번 성과는 뭐가 다른가

A. 이번 연구를 통해 천연가스를 개질기 없이 직접 연료로 사용하여 연료전지를 작동할 수 있음을 보여 주었다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나

A. 고체 산화물 연료전지, 고체 산화물 수전해 전지 등에 사용할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은

A. 이번 연구를 통해 고체 산화물 연료저진의 수명이 향상된다면, 수년 내로 실용화가 가능할 것으로 예상된다.

Q. 실용화를 위한 과제는

A. 연료전지 스텍에 적용하여 작동시키는 실증화 단계가 필요하다.

Q. 이번 성과는 뭐가 다른가

A. 가정에 공급되는 도시가스(LNG)를 사용하여 직접 연료전지를 작동시켜 전기를 생산하고자 시작하게 되었다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는

A. 본 연구자가 개발한 새로운 연료극 소재를 적용한 연료전지를 개발하는 것이다.

Q. 신진연구자를 위한 한마디

A. 하나의 연구로 그치지 말고 나무가 가지를 뻗어나가듯 이 문제점을 명확히 파악하고 단계를 밟아가며 다음 연구를 진행한다면 의외로 쉽게 문제를 해결할 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 네이처 머티리얼즈 (Nature Materials)

네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)에서 월간으로 발행하는 재료과학 분야의 세계 최고 국제 학술지 (13년 기준 영향력지수(IF) 36.425)

2. 고체 산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지. 수소를 연료로 사용하여 공기 중의 산소와 화학반응시켜 전기를 생성하는 미래 동력원이다. 전해물질 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 유독물질의 배출이 없고 에너지 효율도 95% 이상으로 다른 에너지원에 비해 높다.

3. 이중층 페로브스카이트(double perovskite)

일반 페로브스카이트는 이온반경이 큰 희토류 등 원소들과 원자반경이 작은 전이금속 그리고 산소이온에 의해서 8면체를 이루는 물질이다. 이중층 페로브스카이트는 이온반경이 큰 원자를 일부 치환함으로써 원자크기의 차이로 규칙적으로 층이 만들어지는데 일반 페로브스카이트에 비해 산소이동도와 표면특성이 우수해 연료전지 성능 향상에 기여하는 것으로 판단된다.

4. 탄소 침적

탄화수소 계열 연료를 직접 사용할 경우 분해되는 과정에서 탄소가 발생된다. 이때 생성된 탄소는 연료극에 쌓여 반응할 수 있는 공간을 줄이게 되어 성능이 감소하여 장시간 연료전지 작동을 할 수 없게 된다. 현재 연료극으로 주로 사용하는 금속산화물 전극(Ni-YSZ)은 탄화수소 연료를 사용하게 되면 수 시간 이내에 전극에 탄소가 침적되어 전극이 파손되므로 탄화수소를 직접 연료로 사용할 수 없다.

[붙임] 그림설명