▲ 울산과학기술원은 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀(사진)이 '이온 위치 교환' 현상을 활용해 고체산화물 연료전지에서 연료극 물질의 안전성과 성능을 강화할 방법을 개발했다고 밝혔다.

국내 연구진이 수소 뿐만 아니라 천연가스, 메탄, 프로판, 부탄가스 등 탄화수소도 연료로 직접 사용할 수 있는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 성능을 극대화하는 방법을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀이 '이온 위치 교환' 현상을 활용해 고체산화물 연료전지에서 연료극 물질의 안전성과 성능을 강화할 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.

이번 연구는 고체산화물 연료전지가 작동할 때 외부에서 넣어준 이온과 연료극 물질 안에 있는 이온이 서로 자리를 바꿀 수 있게 만드는 것이 핵심이다.

고체산화물 연료전지의 연료극에는 주로 세라믹스와 금속의 합금인 '니켈 서멧' 소재가 쓰였다. 이 물질은 연료와 산소의 반응을 촉진하는 능력이 좋지만 탄화수소를 연료로 쓰면 안정성이 떨어졌다.

이 문제를 해결하기 위해 최근 '스마트 촉매 자가재생(exsolution)'에 관한 연구가 활발하다. 고체산화물 연료정지가 작동하는 환경에서 연료극 물질로 쓰인 페로브스카이트 물질 속 전이금속을 표면으로 올라오게 만드는 것이다.

표면으로 올라온 나노입자들은 연료와 산소의 반응을 촉진하는 촉매 역할을 하면서 탄소가 쌓이는 것도 막아 연료전지 작동의 안전성을 높인다. 특히 코발트가 연료극 표면에 올라오면 성능과 안전성을 크게 높인다.

연구진은 이번 연구에서 코발트를 표면으로 더 잘 올라오게 만드는 법을 찾았다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때 철을 넣어 코발트와 자리를 바꾸게 만든 것이다.

페로브스카이트 구조 속 전이금속마다 표면으로 올라오려는 정도가 달라지는데 표면으로 올라오는 특성이 상대적으로 낮은 전이금속인 철은 페로브스카이트 구조 안으로 들어가려는 특성이 강하다고 연구진은 설명했다.

실제로 투과전자현미경(TEM) 분석 결과, 외부에서 넣어준 철은 상대적으로 표면으로 올라오려는 특성이 작아 페로브스카이트 구조 안으로 들어갔고, 이와 반대되는 특성을 가진 코발트는 페로브스카이트 구조에서 빠져나와 표면으로 올라왔다.

이번에 개발한 전극 소재를 사용한 고체산화물 연료전지의 최대 출력밀도는 800℃에서 1.8W/㎠로, 현재까지 보고된 연구 중 세계 최고의 성능을 나타냈다.

또 메탄을 직접 연료로 쓸 때 이산화탄소 변환효율도 보고된 전극 소재보다 약 2배 정도 뛰어났다.

김건태 교수는 "고체산화물 연료전지에 다양한 연료를 적용해 안정적으로 전기를 생산하려면 연료극의 성능과 안정성이 뒷받침돼야 한다"며 "두 가지 모두 만족하는 연료극 물질을 개발한 이번 연구는 연료전지 상용화에 기여할 것"이라고 전망했다.

이번 연구에는 정후영 UNIST 연구지원본부 교수와 한정우 포스텍 교수, 신지영 숙명여대 교수, 영국 임페리얼칼리지런던 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 교수도 함께했다.

연구 결과는 세계적 과학저널 네이처(Nature)의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 게재됐다.

뉴시스  newsis.com

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