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울산과기원, 2020년 45조 규모 '연료전지' 성능 개선법 찾았다

 
정부가 풍력ㆍ태양광ㆍ수소 등 신재생에너지 정책을 추진하면서 에너지 업계가 수소에너지에 주목하고 있다. UNIST 김건태 에너지및화학공학부 연구진은 수소를 이용한 연료전지 성능 개선 방안을 11일 제시했다. 사진은 한국남동발전과 두산중공업이 제주시 한경면 두모리에서 금등리 해역에 설치한 해상풍력발전단지인, 탐라해상풍력단지. [사진제공=한국남동발전]

정부가 풍력ㆍ태양광ㆍ수소 등 신재생에너지 정책을 추진하면서 에너지 업계가 수소에너지에 주목하고 있다. UNIST 김건태 에너지및화학공학부 연구진은 수소를 이용한 연료전지 성능 개선 방안을 11일 제시했다. 사진은 한국남동발전과 두산중공업이 제주시 한경면 두모리에서 금등리 해역에 설치한 해상풍력발전단지인, 탐라해상풍력단지. [사진제공=한국남동발전]

 
문재인 정부 들어 무한 청정에너지로 불리는 수소연료전지가 떠오르면서 연료전지의 하나인 ‘고체산화물 연료전지(SOFCㆍSolid Oxide Fuel Cell)’도 주목받고 있다. SOFC는 별도의 장치 없이 수소와 산소의 직접 반응에 의해 전기를 생산해, 부식 문제가 적고 발전 과정에서 나오는 폐열로 열병합 발전까지 할 수 있는 친환경 발전설비다. 이 때문에 국내 에너지 기업 중에서는 해외 기업과 SOFC 공급계약을 하거나, SOFC 발전소를 준공하는 등 구체적인 움직임을 보이는 곳도 늘고 있다.
 
그러나 SOFC에는 한 가지 약점이 있다. 천연가스나 메탄·프로판·부탄와 같은 ‘탄화수소’계열을 연료로 직접 사용할 수 있는 장점에도 불구하고, 오래 사용할 경우 탄소(C)가 연료극 표면에 쌓이면서 안정성이 떨어진다는 것이다. 이 때문에 에너지 업계와 학계는 이 문제의 해결 방안에 대해 부심해왔다.
 
그런데 국내 연구진이 이 같은 문제를 개선하고, SOFC에서 연료극 물질의 안정성과 성능을 강화할 방법을 찾아냈다. 김건태 울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학과 연구진은 11일 ‘이온 위치 교환 현상’을 이용한 SOFC 성능 개선에 관한 연구성과를 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재했다.
 
연료극에 ‘철(Fe)’ 이온 가라앉혀 산소 반응 높이는 ‘코발트(Co)’ 표면으로  
 
수소와 산소의 직접 반응 만으로 전기를 생산하는 고체산화물연료전지(SOFC)가 화두다. 김건태 울산과기원(UNIST) 에너지및화학공학과 교수팀은 코발트(Co)를 연료극 표면으로 끌어냄으로써, SOFC의 성능을 개선할 방안을 찾아냈다. 기존 표면에 쌓여 안정성을 떨어뜨렸던 탄소(C)를 철(Fe) 이온을 이용해 해결한 것이다. [사진 UNIST]

수소와 산소의 직접 반응 만으로 전기를 생산하는 고체산화물연료전지(SOFC)가 화두다. 김건태 울산과기원(UNIST) 에너지및화학공학과 교수팀은 코발트(Co)를 연료극 표면으로 끌어냄으로써, SOFC의 성능을 개선할 방안을 찾아냈다. 기존 표면에 쌓여 안정성을 떨어뜨렸던 탄소(C)를 철(Fe) 이온을 이용해 해결한 것이다. [사진 UNIST]

김 교수는 “연료극 표면에 탄소가 쌓이는 현상을 해결하기 위해 ‘이온 위치 교환 현상’을 이용했다”며 “SOFC가 작동할 때 연료극 물질 속에 있는 코발트(Co) 이온을 표면으로 끌어낸 것이 핵심”이라고 설명했다. 산소와 반응을 크게 높일 수 있는 코발트 이온이 표면으로 올라오면서 기존에 문제가 됐던 탄소의 표면 축적 문제가 자연스럽게 해결된 것이다.
 
연료극 물질로 쓰인 페로브스카이트 내부에서 코발트를 끌어낸 데는 철(Fe) 이온을 음극체에 흘려준 것이 주요하게 작용했다. 연구에 참여한 권오훈 UNIST 연구원은 “철은 코발트와 반대로 페로브스카이트 구조 안으로 들어가려는 특성이 강하다”며 “내부로 들어가는 철의 양이 증가할수록, 표면으로 올라오는 코발트 이온의 양은 늘었다”고 설명했다. 실제로 투과전자현미경(TEM)을 이용해 분석한 결과, 철 이온과 코발트 이온이 자리를 바꾸는 현상이 관찰됐다
 
김건태 UNIST 교수팀의 관련 연구는 지난해 9월, 국제학술지 JMCA에 주목할 논문(Hot Paper) 및 표지에 선정된 바 있다. 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 전극 물질(촉매)가 회색 덩어리로 표현돼 있다. 확대된 원 안에 그려진 그림은 SOFC가 작동하면 내부에 있던 코발트(Co)와 니켈(Ni)이 표면 위로 올라와 합금을 형성하는 모습이다. [사진 JMCA]

김건태 UNIST 교수팀의 관련 연구는 지난해 9월, 국제학술지 JMCA에 주목할 논문(Hot Paper) 및 표지에 선정된 바 있다. 고체 산화물 연료전지(SOFC)의 전극 물질(촉매)가 회색 덩어리로 표현돼 있다. 확대된 원 안에 그려진 그림은 SOFC가 작동하면 내부에 있던 코발트(Co)와 니켈(Ni)이 표면 위로 올라와 합금을 형성하는 모습이다. [사진 JMCA]

연구진은 이 같은 현상 덕분에 SOFC의 최대 출력 밀도도 향상됐다고 설명했다. 이번에 개발된 전극 소재를 사용한 SOFC의 최대 출력 밀도는 섭씨 800도에서 1.8W/㎠로 현재까지 보고된 연구 중 세계 최고의 성능에 해당한다. 기존 사용한 세라믹 전극 소재보다 배 이상 높은 성능이다. 특히 메탄(CH4)을 연료로 직접 쓸 경우 이산화탄소 변환 효율 역시 보고된 전극 소재보다 약 배 정도 뛰어났다.
 
김 교수는 “SOFC 연료전지에 다양한 연료를 적용해 안정적으로 전기를 생산하려면, 연료극의 성능과 안정성이 모두 뒷받침돼야 한다”며 “이번 연구는 SOFC 상용화에 기여할 것”이라고 전망했다. 한편 미국 에너지부(DOE)가 전망한 2020년 세계 SOFC 시장 규모는 약 400억 달러(약 45조원)로, 이 중 발전용 연료전지 시장은 64억 달러(약 7조 2000억원)에 이를 전망이다.
 
허정원 기자 heo.jeongwon@joongang.co.kr 
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