주메뉴바로가기.. 본문바로가기

금속이온 자리 교체로 연료전지 성능 극대화

카카오스토리 네이버밴드 구글플러스

2019년 02월 11일 19:00 프린트하기

SOFC 연료극 물질의 안정성과 성능을 높인 연구진. 왼쪽부터 김선아 연구원, 김현민 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. UNIST 제공.
SOFC 연료극 물질의 안정성과 성능을 높인 연구진. 왼쪽부터 김선아 연구원, 김현민 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. UNIST 제공.

연료전지는 수소와 공기만으로 전기를 만들어낸다. 연료전지 일종인 고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소뿐 아니라 천연가스나 메탄, 프로판, 부탄가스 등 탄화수소도 연료로 직접 사용할 수 있다. 국내 연구진이 이같은 고체산화물 연료전지 성능을 극대화하는 방법을 개발했다. 

 

김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀은 ‘이온 위치 교환’ 현상을 활용해 고체산화물 연료전지에서 연료극 물질의 안정성과 성능을 강화할 방법을 개발했다고 밝혔다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때 외부에서 넣어준 이온과 연료극 물질 안에 있는 이온이 서로 자리를 바꾸도록 하는 원리다. 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 9일자(현지시간)에 게재됐다. 

 

고체산화물 연료전지의 연료극은 주로 세라믹스와 금속의 합금인 ‘니켓 서멧’ 소재로 만들어졌다. 이 물질은 연료와 산소의 반응을 촉진하는 능력이 좋지만 탄화수소를 연료로 쓰면 탄소가 연료극 표면에 쌓여 오래 작동시킬 경우 안정성이 떨어진다. 

 

이런 문제를 해결하기 위해 ‘스마트 촉매 자가재생’ 연구가 활발하다. 이 연구는 고체산화물 연료전지가 작동하는 환경에서 연료극 물질로 쓰인 페로브스카이트 물질 속 전이금속을 표면으로 올라오게 만드는 것이다. 표면으로 올라온 나노 입자들은 연료와 산소의 반응을 촉진하는 촉매 역할을 하면서 탄소가 쌓이는 현상도 방지한다. 특히 코발트(Co)가 연료극 표면에 올라오면 성능과 안정성을 크게 높이는 것으로 알려졌다. 

 

김건태 교수 연구팀은 이 코발트가 표면으로 더 잘 올라올 수 있도록 하는 방법을 찾았다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때 철(Fe)을 넣어 코발트와 자리를 바꾸게 만든 것이다. 

 

주상욱 UNIST 에너지공학과 석박사통합과정 연구원(공동 제1저자)은 “외부에서 넣어주는 철의 양이 증가할수록 코발트가 표면으로 올라오는 양이 늘었다”며 “이 덕분에 고체산화물 연료전지의 최대 출력밀도가 향상됐다”고 전했다.

 

이번에 개발한 전극 소재를 사용한 고체산화물 연료전지의 최대 출력밀도는 800℃에서 1.8W/㎠로, 현재까지 보고된 연구 중 세계 최고의 성능을 나타냈다. 또 메탄(CH₄)을 직접 연료로 쓸 때 이산화탄소 변환효율도 보고된 전극 소재보다 약 2배 정도 뛰어났다. 

 

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

 

 

f0-f1+f2=2

카카오스토리 네이버밴드 구글플러스

2019년 02월 11일 19:00 프린트하기

 

혼자보기 아까운 기사
친구들에게 공유해 보세요

네이버밴드 구글플러스

이 기사가 괜찮으셨나요? 메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

18 + 7 = 새로고침
###
과학기술과 관련된 분야에서 소개할 만한 재미있는 이야기, 고발 소재 등이 있으면 주저하지 마시고, 알려주세요. 제보하기

관련 태그뉴스