저온 운전 가능한 차세대 세라믹 연료전지 나온다

홍종섭 연세대 교수팀, PCFC 성능과 안정성 높인 니켈합금촉매 제안

메탄을 직접 연료로 활용할 수 있는 양성자 전도성 세라믹 연료전지의 개념 [홍종섭 연세대 교수 제공]

[아이뉴스24 최상국 기자] 도시가스(메탄)를 연료로 활용해 전기를 생산할 수 있는 세라믹 전해질 기반 연료전지의 저온 운전을 앞당길 소재가 개발됐다.

25일 한국연구재단은 홍종섭 연세대 교수 연구팀이 양성자 전도성 세라믹 연료전지의 연료극에 쓰일 수 있는 니켈 기반 합금 촉매를 개발했다고 소개했다.

양성자 전도성 세라믹 연료전지(Proton-conducting ceramic fuel cells, PCFC)는 연료극에서 생성된 수소이온(양성자)이 전도되면서 발생하는 전자를 이용해 전력을 생산하는 연료전지다.

최근 활발하게 상용화가 이루어지고 있는 고체산화물연료전지(SOFC)와 같이 세라믹 고체 전해질을 사용함으로써 얻을 수 있는 장점을 모두 가지면서도, 산소이온의 이동으로 전기를 발생시키는 SOFC와 달리 수소이온의 이동으로 작동해 효율을 더욱 높일 수 있는 차세대 연료전지로 주목받고 있다.

별도의 수소공급 없이 도시가스의 주요 성분인 메탄을 비롯해 다양한 탄화수소를 직접 연료로 사용할 수 있고 높은 이론효율과 피독저항성 등 다양한 장점이 있지만, 상용화를 위해서는 아직 성능과 내구성을 높여야 하는 상황이다.

특히 기존 니켈 기반 연료극은 높은 작동온도(700 ℃ 이상)에서 성능이 급격히 저하되는 열화현상이 일어나 작동온도를 낮추는 것이 중요하다. 하지만 작동온도를 낮출 경우 연료와 전극의 반응성이 떨어지고, 연료극에서 메탄이 반응해 발생하는 탄소가 연료극의 니켈 표면에 침착되는 것이 문제였다. 탄소가 연료극에 침착되면 니켈 활성 표면적이 줄어들어 수소 생산성이 떨어지게 된다.

홍종섭 교수 연구팀은 니켈 전극에 탄소가 침착되지 못하도록 니켈을 로듐 또는 코발트와 합금으로 만들었다. 로듐이나 코발트는 탄소를 싫어하고 산소와 친한 특성을 가져 탄화수소 개질에 널리 쓰인다. 니켈과 합금하면 메탄 습식 개질에 필요한 활성화 에너지를 낮춰 반응성이 높아질 뿐만 아니라, 개질 중에 발생한 탄소가 니켈 표면에 형성되는 것을 억제하거나 형성된 탄소를 산화시켜 침착을 막는다. 이를 통해 연료극에서의 연료소비를 원활하게 도와 수소 생산성을 높일 수 있는 것이다.

연구팀은 합금촉매를 통해 500 ℃의 저온 영역에서 메탄 전환율과 수소 생산수율을 최대 2배 이상 늘렸다. 메탄 연료로부터 꾸준히 수소를 얻을 수 있는지 확인하기 위해 장기 안정성 평가를 진행한 결과, 합금 소재 적용시 비활성화(운전 시간 동안 촉매와 반응하는 메탄 연료의 감소율) 정도가 니켈 촉매(24.8%)에 비해 코발트 합금(10.5%)은 약 2배, 로듐 합금(3.3 %)은 약 7배 이하로 개선된 결과를 얻었다.

연구팀은 향후 상용급 양성자 전도성 세라믹 연료전지 스택에 적용해 연구결과를 검증할 계획이라고 밝혔다.

홍종섭 교수는 "연료전지의 전체 기술 현황을 분석했을 때, 높은 작동 온도를 유지하고 외부 개질기를 사용해 연료인 수소를 공급하는데 많은 에너지와 비용이 든다. 따라서 작동 온도를 낮추면서 높은 성능과 장기 안정성을 담보할 수 있는 기술이 필요하다. 이번 연구에서는 상용화의 가장 큰 난제인 성능 및 신뢰성을 모두 담보할 수 있는 방법론을 제안했다"고 연구 의의를 설명했다.

또한 "PCFC는 아직 SOFC에 비해 상용화를 위한 기술 수준이 떨어지지만 상대적으로 저온에서 열화없이 가동할 수 있다는 장점을 갖고 있기 때문에 조만간 가정·건물의 발전용 연료전지 시장에 진입할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이 연구는 에너지 분야 국제학술지 ‘저널 오브 머터리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’에 내부표지논문으로 2월 24일 게재됐다. 또한 해당 학술지의 2021년도 우수논문(HOT Paper)으로 선정됐다.

◇논문명 : Ni-based bimetallic nano-catalysts anchored on BaZr0.4Ce0.4Y0.1Yb0.1O3−δ for internal steam reforming of methane in a low- temperature proton-conducting ceramic fuel cell

◇저자 : 홍종섭 교수(교신저자/연세대학교), 홍경표 석/박사통합과정(제1저자/연세대학교), 스테파니 나디야 수탄토 학사(제2저자/ 연세대학교), 이정아 석사(제3저자/연세대학교)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)

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