[월간수소경제 송해영 기자] 고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소뿐만 아니라 천연가스, 메탄, 프로판, 부탄가스 등의 탄화수소도 연료로 직접 이용할 수 있어 연료 이용의 폭이 넓다. 이러한 장점을 가진 SOFC의 성능을 극대화하는 방법이 개발되었다.

UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수 연구팀은 ‘이온 위치 교환(Topotactic Ion Exchange)’ 현상을 활용해 SOFC에서 연료극 물질의 안정성과 성능을 강화하는 방법을 개발했다. 핵심은 SOFC 작동 시, 외부에서 넣어준 이온과 연료극 물질 안에 있는 이온이 서로 자리를 바꾸게 하는 것이다.

SOFC 연료극에는 주로 세라믹스와 금속의 합금인 ‘니켈 서멧(Ni cermet)’이 쓰였다. 이 물질은 연료와 산소 간 반응을 촉진하는 능력이 뛰어나지만, 탄화수소를 연료로 쓰면 탄소(C)가 연료극 표면에 쌓이면서 오래 작동시킬 경우 안정성이 떨어졌다.

이러한 문제를 해결하기 위해 ‘스마트 촉매 자가재생(exsolution)’에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. SOFC가 작동하는 환경에서 연료극 물질로 쓰인 페로브스카이트 물질 속 전이금속을 표면으로 올라오게 만드는 것이다.

표면으로 올라온 나노 입자들은 연료와 산소의 반응을 촉진하는 촉매 역할을 하는 동시에 탄소가 쌓이는 것도 막아 연료전지 작동의 안정성을 높인다. 특히 코발트(Co)가 연료극 표면에 올라오면 성능과 안정성을 크게 높일 수 있다.

이번 연구에서는 이러한 코발트를 표면으로 더 잘 올라오게 하는 방법을 찾았다. SOFC 작동 시 철(Fe)을 넣어 코발트와 자리를 바꾸게 만드는 것이다.

권오훈 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원(공동 제1저자)은 “페로브스카이트 구조 속 전이금속마다 표면으로 올라오려는 정도가 달라진다”며 “표면으로 올라오려는 특성이 상대적으로 낮은 전이금속인 철(Fe)은 오히려 페로브스카이트 구조 안으로 들어가려는 특성이 강하다”고 설명했다.

실제로 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 결과, 외부에서 넣어준 철은 표면으로 올라오려는 특성이 상대적으로 낮아 페로브스카이트 구조 안으로 들어갔다. 이와 반대되는 특성을 가진 코발트는 페로브스카이트 구조에서 빠져나와 표면으로 올라왔다.

주상욱 UNIST 에너지공학과 석․박사통합과정 연구원(공동 제1저자)은 “외부에서 넣어주는 철의 양이 증가할수록 표면으로 올라오는 코발트의 양이 늘었다”며 “이 덕분에 SOFC의 최대 출력밀도가 향상되었다”고 전했다.

이번에 개발한 전극 소재를 사용한 SOFC의 최대 출력밀도는 800℃에서 1.8W/cm²로, 현재까지 보고된 연구 중 세계 최고의 성능을 나타냈다. 또 메탄(CH₄)을 직접 연료로 쓸 때 이산화탄소 변환효율도 보고된 전극 소재보다 2배 정도 뛰어났다.

김건태 교수는 “SOFC에 다양한 연료를 적용해 안정적으로 전기를 생산하려면 연료극의 성능과 안정성이 뒷받침되어야 한다”며 “두 가지 모두 만족하는 연료극 물질을 개발한 이번 연구는 연료전지 상용화에 기여할 것”이라고 전망했다.

이번 연구는 정후영 UNIST 연구지원본부 교수, 한정우 포스텍 교수, 신지영 숙명여대 교수, 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 영국 임페리얼칼리지런던 교수도 함께 참여했다.

연구 결과는 네이처(Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 11일 온라인판에 게재되었다.