로브스카이트 물질이 고온에서 산소를 잃으면 내부의 전이 금속이 표면으로 올라온다. 이 입자를 탄화수소용 연료전지 촉매로 사용할 수 있다. /사진제공=UNIST
‘천연가스 연료전지’의 상용화가 눈앞에 다가왔다. 수소 대신 탄화수소를 바로 써도 장기간 성능이 유지되는 전극 물질을 개발한 덕분이다.
울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀이 숙명여대 신지영 교수, 서울시립대 한정우 교수, 원광대 주용완 교수, UNIST 정후영 교수와 공동으로 새로운 형태의 고체산화물 연료 전지용 연료극 소재를 개발했다고 28일 발표했다.
고체 산화물 연료전지(SOFC)는 수소(연료)를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 반응 후에는 물만 배출해 친환경적이며, 배출 열까지 활용하면 발전 효율은 90% 이상으로 높아 차세대 에너지 생산기술로 주목받고 있다. 그러나 연료로 쓰일 수소 확보와 오랫동안 안정적으로 쓸 수 있는 전극 소재 개발이 이뤄지지 않아 상용화가 더뎠다.
김건태 교수팀은 SOFC의 연료로 천연가스나 LPG 같은 탄화수소를 직접 쓰는 연료극 물질(촉매)을 개발해 수소 확보 문제를 해결했다. 이 촉매를 적용한 SOFC는 탄화수소를 수소로 전환하는 과정 없이 연료전지를 작동시킬 수 있다.
또 SOFC에 탄화수소를 직접 쓰면서 생기는 성능 저하를 막을 방법도 찾았다.
새로 개발된 SOFC용 연료극 물질은 연료전지가 작동하는 고온에서 산소를 잃어버리는 상태(환원)가 되면 내부에 있는 전이금속이 표면으로 올린다. 이 전이금속이 또 다른 촉매의 역할을 하기 때문에 SOFC는 오랫동안 안정적으로 작동된다.
김건태 교수는 “탄화수소를 직접 사용해 연료전지를 작동시키면 반응하고 남은 탄소나 황이 쌓이면서 촉매(연료극)의 성능이 떨어질 수 있다”며 “이번에 개발한 이중층 페로브스카이트 구조의 물질을 이용하면 탄화수소를 직접 사용해도 장기간 안정적으로 전기를 생산할 수 있다”고 설명했다.
연구진은 이 물질을 적용한 SOFC에 프로판 가스를 연료로 직접 사용해 성능을 시험했다. 그 결과 200시간 이상 전류의 강하 없이 안정적으로 작동했다. 또 800℃에서 수소를 연료로 사용했을 때 1.2W/㎠의 출력을 보여 기존 전극 소재보다 2배 정도 뛰어났다.
제 1저자로 연구에 참여한 권오훈 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “기존에는 SOFC를 만드는 과정에서 성능과 안정성을 확보하기 위해 외부 촉매를 넣어주는 방법을 쓰기도 했다”며 “새로운 연료극 물질은 외부 촉매 첨가가 필요 없다”라고 말했다
작성일 : 17-06-28 18:11
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