천연가스로 고체 연료전지 전극 만든다

국내연구팀, 새로운 연료극 소재 개발

[아시아경제 정종오 기자] 천연가스를 직접 연료로 사용하는 새로운 연료극 소재가 개발됐다. 고체 산화물 연료전지의 새로운 전극 소재로 기대를 모으고 있다. 수소와 공기만으로 전기를 발생시키는 고체 산화물 연료전지의 새로운 전극소재가 개발된 것이다. 천연가스, 액화석유가스(LPG) 등 기존 탄화수소 계열 연료를 직접 사용할 수 있고 성능과 안정성도 뛰어난 소재로 기존에 나타났던 탄소 침적이나 황 피독 같은 기존 소재의 문제점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

고체 산화물 연료전지(SOFC·Solid Oxide Fuel Cell)란 산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지를 말한다. 수소 또는 탄화수소연료를 공기와 반응시켜 전기와 물을 발생시키는 방식이다.

▲천연가스 생산지.

탄소 침적은 탄화수소 연료를 직접 사용할 경우 분해되는 과정에서 탄소가 발생해 연료극에 쌓이는 현상을 일컫는다. 황 피독은 탄화수소 계열 연료를 사용할 경우 불순물로 섞여 있는 황화수소(H2S) 중 황(sulfur) 성분에 의해 연료극이 피독되는 현상이다.

고체 산화물 연료전지는 오염물질이나 온실가스 배출을 대폭 줄일 수 있다. 이 때문에 값싸고 발전효율(95% 이상)이 신재생에너지 가운데 가장 높아 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 탄화수소를 연료로 바로 사용하기 위해 이중층 구조의 페로브스카이트 물질을 개발해 새로운 연료극에 적용했다. 탄소 침전과 황 피독과 같은 기존 연료극 소재의 문제점을 해결했다. 이중층 페로브스카이트(double perovskite)는 이온반경이 큰 희토류 등 원소와 원자반경이 작은 전이금속을 말한다. 이번에 개발된 전극소재는 700도에서 프로판을 연료로 사용할 때 탄소 침적이 전혀 일어나지 않았으며 500시간 이상 연료전지를 작동했을 때도 성능이 일정하게 유지됐다.

전 세계 연료 전지시장은 갈수록 규모가 커지고 있다. 지난해 연료전지 세계시장 규모는 1조8000억원으로 연평균 85% 성장세를 보이고 있다. 미국 에너지성(DOE·United States Department of Energy)도 2020년쯤에 세계 연료전지시장 규모가 400억 달러(42조원)에 이를 것으로 전망했다. 이 중 발전용 연료전지 시장은 64억달러(6조8000억원)에 이를 것으로 예측했다. 이번 새로운 연료극 물질 개발로 5000억원 이상의 SOFC 제조원가 비용절감이 가능할 것을 예상된다.

이번 연구는 김건태 울산과학기술대학교(UNIST) 에너지및화학공학부 교수(교신저자)와 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan)의 최시혁 박사과정(제1저자)이 중심이 돼 이룬 성과이다. 신지영 동의대 교수, 영국의 존 어바인(John T.S. Irvine) 세인트 앤드류스대 교수가 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 네이처 머티리얼스지 온라인판 12월23일자(논문명:Layered Oxygen Deficient Double Perovskite as an Efficient and Stable Anode for Direct Hydrocarbon SOFCs)에 실렸다.

김 교수는 "다양한 탄화수소 연료를 사용해 높은 성능을 안정적으로 유지하는 전극소재를 개발함으로써 세계 연료전지 산업을 선도할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr