[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 수소와 공기(산소)만으로 전기를 발생시키는 장치를 연료전지(Fuel Cell)라 한다. 연료전지는 수소나 탄화수소를 연료로 공급하는 연료극과 산소 공급처인 공기극, 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질로 구성된다. 수소분자가 수소이온으로 이온화한 뒤, 공기극으로 이동하고 이 과정에서 두 전극 사이에 전압이 발생하는 원리다. 

연료전지 중 하나인 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell·SOFC)는 산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂) 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지다. SOFC는 수소뿐만 아니라 천연가스나 메탄, 프로판, 부탄가스 등의 이른바 탄화수소도 연료로 직접 사용할 수 있다. 이런 장점을 가진 고체산화물 연료전지의 성능을 극대화하는 방법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

UNIST(울산과학기술원) 에너지및화학공학부 김건태 교수팀은 ‘이온 위치 교환’ 현상을 활용해 고체산화물 연료전지에서 연료극 물질의 안정성과 성능을 강화할 방법을 개발했다고 11일 밝혔다.

연구결과는 세계적 과학저널 네이처(Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 온라인판에 이날 게재됐다.

[자료=UNIST]

연구진에 따르면 고체산화물 연료전지는 연료전지가 작동할 때 외부에서 넣어준 이온과 연료극 물질 안에 있는 이온이 서로 자리를 바꾸게 만드는 문제가 중요하다.

고체산화물 연료전지의 연료극에는 주로 세라믹스와 금속의 합금인 ‘니켈 서멧(Ni cermet)’ 소재가 쓰였다. 이 물질은 연료와 산소의 반응을 촉진하는 능력이 좋다. 하지만 탄화수소를 연료로 쓰면 탄소(C)가 연료극 표면에 쌓이면서 오래 작동시킬 경우 안정성이 떨어졌다.

이 문제를 해결하기 위해 ‘스마트 촉매 자가재생(exsolution)’에 관한 연구가 활발하다. 고체산화물 연료전지가 작동하는 환경에서 연료극 물질로 쓰인 ‘페로브스카이트(Perovskite) 물질’ 속 전이금속을 표면으로 올라오게 만드는 것이다. 페로브스카이트는 육방면체의 특별한 구조를 가진 반도체 물질로, 빛을 전기로 바꾸거나(광전) 전기를 빛으로 바꾸는(발광) 특성을 지니고 있다.

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

(그림) 이온 위치 교환 현상(Topotactic Ion Exchange) 모식도:  R1은 기존의 스마트 촉매 자가 재생(exsolution) 과정이고, R2는 이온 위치 교환 현상을 이용한 스마트 촉매 자가 재생 과정인데, R2의 경우 외부에 있던 철(Fe)이 내부로 들어가 코발트(Co)가 빠져나온 자리를 채움으로써 코발트가 더 많이 나올 수 있는 환경을 조성한다. 결과적으로 촉매 역할을 하는 코발트가 연료극 표면으로 올라온 수가 증가했다. 2019.02.11. [자료=UNIST]

이번 연구는 코발트를 표면으로 더 잘 올라오게 만드는 법을 찾았다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때 철(Fe)을 넣어 코발트와 자리를 바꾸게 만든 것이다.

이번에 개발한 전극 소재를 사용한 고체산화물 연료전지는 현재까지 보고된 연구 중 세계 최고의 성능을 나타냈다. 또 메탄(CH₄)을 직접 연료로 쓸 때 이산화탄소 변환 효율도 보고된 전극 소재보다 약 2배 정도 뛰어났다.

김 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 교수, 한정우 포스텍 교수, 신지영 숙명여대 교수, 영국 임페리얼칼리지런던 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 교수도 함께 참여했다.

kimys@newspim.com