김건태 교수팀, 전극 소재 개발
UNIST 제공
UNIST(울산과학기술원) 김건태 교수 연구팀은 '이온위치 교환' 현상을 이용해 고체산화물 연료전지의 연료극 물질의 안정성과 성능을 높이는 전극 소재를 개발했다고 11일 밝혔다.
고체산화물 연료전지는 모든 구성요소가 고체로 이뤄진 연료전지로, 외부에서 넣어준 이온과 연료극 물질 안에 있는 이온이 서로 자리를 바꿔가면서 동작한다.
다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 소재가 상대적으로 저렴하면서 작동 시 배출되는 열을 활용해 복합발전까지 가능해 에너지 전환효율이 높은 장점이 있다.
연료전지 내 연료극에는 주로 세라믹과 금속 합금인 '니켈 서멧(Ni cermet)' 소재가 쓰인다. 이 물질은 연료와 산소 반응을 촉진하는 데 뛰어나지만, 탄화수소를 연료로 쓰면 탄소가 연료극 표면에 쌓이면서 안정성을 떨어뜨린다.
연구팀은 고체산화물 연료전지가 작동할 때 연료극 물질로 쓰인 페로브스카이트 물질 속 전이금속을 표면으로 올라오게 만들어 연료와 산소 반응을 활성화해 탄소가 쌓이는 것을 막아 연료전지의 안정성을 높였다.
특히 연료전지에 철을 넣어 코발트가 연료극 표면으로 더 잘 올라오게 함으로써, 성능과 안정성이 크게 향상되는 것을 확인했다.
이 과정을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과, 외부에서 넣어준 철은 상대적으로 표면으로 올라오려는 특성이 줄어드는 대신 코발트는 표면으로 올라오는 특성이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
전극 소재를 적용한 고체산화물 연료전지의 최대 출력밀도는 800℃에서 1.8W/㎠ 로, 현재까지 보고된 사례 중 세계 최고 성능을 보였다. 또 메탄을 직접 연료로 쓸 때 이산화탄소 변환 효율도 전극 소재보다 2배 가량 우수했다.
김건태 교수는 "고체산화물 연료전지에 다양한 연료를 적용해 안정적으로 전기를 생산하려면 연료극의 성능과 안정성이 뒷받침돼야 한다"며 "앞으로 연료전지 상용화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다. 이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(11일자) 온라인판'에 실렸으며, 정후영 UNIST 교수, 한정우 포스텍 교수, 신지영 숙명여대 교수, 시바프라카시 생고단 영국 임페리얼칼리지런던 교수 등이 연구에 참여했다.
이준기기자 bongchu@
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