합금촉매로 연료전지 수소생산성 및 탄소저항성 향상
양성자 전도성 세라믹 연료전지(Proton-conducting ceramic fuel cells)의 고성능 및 고안정성 저온 메탄 운전 가능
□ 천연가스나 바이오가스에서 풍부하게 얻을 수 있는 메탄으로 다량의 수소를 만들 수 있는 연료전지의 저온 운전을 앞당길 소재가 개발됐다.
○ 기후변화대응, 수소경제 등의 흐름 가운데 연료전지를 이용한 수소생산 및 활용 효율을 높일 기초자료가 될 것으로 기대된다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 홍종섭 교수(연세대학교) 연구팀이 양성자 전도성 세라믹 연료전지의 연료극에 쓰일 수 있는 니켈 기반 합금 촉매를 개발했다고 밝혔다.
○ 기존 니켈 기반 연료극은 높은 작동온도(>700 ℃)에서의 열화현상으로 작동온도를 낮추는 것이 중요하다. 다만 작동온도를 낮출 경우 연료와 전극의 반응성이 떨어지고, 연료극에서 메탄이 반응하여 발생하는 탄소가 연료극의 니켈 표면에 침착되는 것이 문제였다.
※ 양성자 전도성 세라믹 연료전지 : 연료극에서 수소 분자가 이온화하여 양성자가 전도되면서 발생되는 전자를 이용해 전력을 생산하는 연료전지. 높은 이론효율 및 연료자유도 등 장점이 있지만, 상용화에 앞서 성능 및 내구성을 높여야 한다.
□ 이에 연구팀은 니켈 전극에 탄소가 침착되지 못하도록 니켈을 로듐 또는 코발트와 합금으로 만들었다.
○ 로듐이나 코발트는 탄소 저항성 및 산소 친화적인 특성의 금속으로 탄화수소 개질에 널리 쓰이는 데, 니켈과 합금시 니켈 표면에 탄소 결합을 억제하거나 형성된 탄소를 산화시켜 침착을 막는다.
○ 이를 통해 연료극에서의 연료소비를 원활하게 도와 수소 생산성을 높일 수 있는 것이다.
※ 탄소 결합 : 탄화수소 개질 중에 발생하는 탄소가 표면에서 형성하기 위한 결합
□ 저온 영역(500 ℃)에서 메탄 연료를 사용했을 때 연료극을 모사한 니켈 촉매보다 연구팀이 제안한 합금 촉매를 적용한 경우 메탄 전환율과 수소 생산수율이 최대 2배 이상 늘어났다.
○ 메탄 연료로부터 꾸준히 수소를 얻을 수 있는지 확인하기 위해 장기 안정성 평가를 진행한 결과, 합금 소재 적용시 비활성화 정도가 니켈 촉매(24.8%)에 비해 코발트 합금(10.5%)은 약 2배 그리고 로듐 합금(3.3 %)은 약 7배 이하로 개선되었다.
※ 비활성화 : 운전 시간 동안 촉매와의 반응하는 메탄 연료의 감소율
□ 특히 습식 합성법을 이용해 직경 수 십 나노미터의 균일한 크기와 특성을 갖는 합금을 형성하고, 반응성을 극대화할 수 있도록 반응을 위한 표면적을 넓혔다.
○ 연구팀은 향후 상용급 양성자 전도성 세라믹 연료전지 스택에 적용 하여 본 연구에서 확보한 결과를 검증할 계획이라고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지‘저널 오브 머터리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’에 2월 24일 게재되었다. 내부표지논문(inside front cover)으로 선정되었으며, 해당 학술지의 2021년도 우수논문(HOT Paper)으로 선정되었다.
