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| SOFC 연료극 물질의 안정성과 성능을 높인 연구진. 왼쪽부터 김선아 연구원, 김현민 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. |
[헤럴드경제(울산)=이경길 기자] 고체산화물 연료전지의 성능을 극대화하는 방법이 개발됐다.
UNIST(울산과학기술원. 총장 정무영)는 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀이 ‘이온 위치 교환’ 현상을 활용해 고체산화물 연료전지에서 연료극 물질의 안정성과 성능을 강화할 방법을 개발했다고 11일 밝혔다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때, 외부에서 넣어준 이온과 연료극 물질안에 있는 이온이 서로 자리를 바꾸게 만드는 게 핵심이다.
고체산화물 연료전지의 연료극에는 주로 세라믹스와 금속의 합금인 ‘니켈 서멧(Ni cermet)’ 소재가 쓰였다. 이 물질은 연료와 산소의 반응을 촉진하는 능력이 좋지만, 탄화수소를 연료로 쓰면 탄소(C)가 연료극 표면에 쌓이면서 오래 작동시킬 경우 안정성이 떨어졌다.
이 문제를 해결하기 위해 ‘스마트 촉매 자가재생(exsolution)’에 관한 연구가 활발하다. 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 것도 막아 연료전지 작동의 안정성을 높인다. 특히 코발트(Co)가 연료극 표면에 올라오면 성능과 안정성을 크게 높인다.
이번 연구에서는 코발트(Co)를 표면으로 더 잘 올라오게 만드는 법을 찾았다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때 철(Fe)을 넣어 코발트와 자리를 바꾸게 만든 것이다.
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.
이번 연구는 정후영 UNIST 연구지원본부 교수, 한정우 포스텍 교수, 신지영 숙명여대 교수, 영국 임페리얼칼리지런던 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 세계적 과학저널 네이처(Nature)의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 11일 온라인판에 게재됐다.
hmdlee@heraldcorp.com
