국내 연구진, 고체산화물 연료전지 전극 개발

아주경제 김봉철 기자 = 수소 대신 천연가스를 직접 연료로 사용할 수 있는 새로운 연료전지 전극 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술대(UNIST) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 22일 천연가스, LPG 등 기존 탄화수소(CH) 계열 연료를 직접 사용할 수 있는 고체산화물 연료전지(SOFC)용 전극 소재를 개발했다고 밝혔다.

연구진이 개발한 연료전극 소재는 프로판가스를 직접 연료로 사용해 700℃에서 1.3W/㎠의 전력을 생산, 기존 전극보다 2배 이상 성능이 향상됐다. 수소를 연료로 사용할 때는 850℃에서 1.7W/㎠의 전력 생산을 기록했다.

수소 및 탄화수소를 사용했을 때 최대 전력 밀도 연구진이 개발한 연료전극으로 만든 연료전지를 850℃에서 수소를 연료로 가동했을 때 최고 1.7W/㎠(빨간 선)의 출력을 보였고, 프로판가스를 연료로 700℃에서 가동할 때는 1.3W/㎠(파란선)의 출력을 기록, 기존 연료전지보다 효율이 2배 이상 높은 것으로 나타났다.

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고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소나 탄화수소를 공기와 반응시켜 전기와 물을 발생시키는 친환경 에너지원이다.

수소 대신 탄화수소를 연료로 사용하면 이산화탄소(CO₂)가 발생하지만 에너지 전환 효율이 90% 이상으로 화력발전(효율 30∼35%)보다 훨씬 높아 친환경적이라는 게 연구진의 설명이다.

그러나 지금까지는 연료전지의 주원료인 수소를 생산하는 비용이 비싸고 고체산화물 연료전지의 경우 탄화수소를 직접 연료로 쓰면 그을음처럼 탄소가 전극에 쌓이고 황화합물이 전극 표면을 덮어 전극 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.

김 교수팀은 이 연구에서 기존 전극 소재로 쓰이던 페로브스카이트라는 물질의 구조를 2중 층 구조로 바꾸는 기술을 개발, 탄화수소를 직접 연료로 사용할 때 탄소나 황화합물로 인해 전극 성능이 떨어지는 문제를 해결했다.

이 전극을 사용한 연료전지에 700℃에서 프로판가스를 연료로 공급하면서 500시간 가동한 결과 전극에 탄소가 쌓이는 현상이 일어나지 않았으며 생산되는 전기의 전압도 유지되는 것으로 확인됐다.

연구진은 탄화수소 연료를 사용하는 고체 산화물 연료전지의 안정성 측면에서 세계 최고 수준이라며 이 전극 소재가 미래 청정 에너지원으로서의 연료전지 상용화를 더욱 앞당길 것으로 예상했다.

미국 에너지부(DOE)에 따르면 세계 연료전지 시장 규모는 2013년 1조8000억원에서 2020년 42조원(400억 달러)로 증가할 것으로 예상된다.

연구진은 새 연료전극을 활용한 발전·난방 겸용 연료전지의 상업화가 2020년께 가능할 것으로 보고 이 연료전극 소재가 고체산화물 연료전지 제조원가를 5000억원 이상 절감해줄 것으로 전망했다.

김건태 교수는 “기존 연료전극 소재들은 초기에 우수한 성능을 보이더라도 안정성이 낮아 탄화수소 연료를 직접 사용할 때 안정적인 작동이 불가능했다”면서 “이 연료전극 소재는 프로판 가스를 직접 사용할 때 향상된 성능과 뛰어난 안정성을 보였다는 점에서 연료전지 상용화를 선도할 최고 수준의 기술”이라고 말했다.

한편 이 연구결과는 재료과학분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’(Nature Materials) 22일자(영국시간)에 게재됐다.