도시가스 연료로 한 세계 최고 성능의 세라믹 연료전지 탄생

-간편한 적용과 가격, 성능과 안전성까지 잡아
-탄소중립 기여할 연료전지 상용화 가능성 높아

논문명
Direct methane protonic ceramic fuel cells with self-assembled Ni-Rh bimetallic catalyst
저자정보
이원영 교수(교신저자, 성균관대), 홍종섭 교수(교신저자, 연세대), 최민기(제1저자, 서울과학기술대), 홍경표(제1저자, 연세대), 민지홍 (연세대), 배용균 (연세대, 한국기계연구원),김동욱(성균관대), 이재엽(성균관대), 방세희 (성균관대), 이한구(포항가속기연구센터)

성균관대학교(총장 유지범)는 기계공학부 이원영 교수, 연세대학교 기계공학부 홍종섭 교수, 서울과학기술대학교 미래에너지융합학과 최민기 교수 공동연구팀이 도시가스(메탄)를 별도의 개질기 없이 직접 연료로 활용해서 세계 최고 수준의 성능과 내구성을 보이는 양성자 전도성 세라믹 연료전지를 개발했다고 지난해 11월 27일 밝혔다.
  도시가스의 주성분인 메탄을 포함한 다양한 탄화수소를 연료전지의 연료로 직접 활용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 별도의 개질기가 필요하지 않아 시스템 구성이 간단해지고 아직은 값비싼 그린수소를 사용할 필요도 없으며 기존의 도시가스 공급망을 그대로 활용할 수 있는 등 다양한 장점이 있기 때문이다.
  하지만 고체산화물 연료전지의 연료로 메탄을 직접 주입하게 되면 메탄이 고온에서 분해되는 과정에서 연료극 촉매인 니켈의 표면에 탄소가 침착되는 현상이 발생하여 수소 생산성 감소와 함께 전력생산능력이 급격하게 저하되는 열화현상은 상용화의 가장 큰 문제점으로 제기되어 왔다.
  이에 공동연구팀은 메탄을 연료로 직접 활용하는 세라믹 연료전지의 성능과 안정성을 향상시키기 위한 전략으로 탄소침착 저항성이 높은 촉매가 탑재된 양성자 전도성 세라믹 연료전지를 개발하였다. 양성자 전도성 세라믹 연료전지는 최근 활발하게 상용화가 진행되고 있는 고체산화물 연료전지의 한 종류로 산소이온이 아닌 수소이온(양성자)이 전하운반자로 활용되기 때문에 중저온에서도 고성능, 고효율 전력생산이 가능한 차세대 에너지 시스템으로 주목받고 있다.
  또한 연료전지 제작과정 중에 이종합금촉매를 자가조립할 수 있는 방법을 개발하여 메탄 분해반응성뿐만 아니라 자가탄소세정 특성을 통한 탄소침착 저항성을 크게 향상시켰다. 이렇게 제작된 연료전지는 기존에 보고된 성능을 크게 상회하는 세계 최고 성능을 확보하였으며, 특히 500시간 동안의 장기운전에서도 기존의 연료전지에 비하여 20배 이상 향상된 안정성을 보였다.

<그림> 자가조립 이종합금 촉매 기반 메탄 직접 주입형 양성자 전도성 세라믹 연료전지의 작동원리와 니켈-로듐 이종합금 촉매 이미지. (자료제공: 성균관대학교)

  이원영 교수는 “이중합금촉매 자가조립이라는 간단하면서도 확실한 방법을 효율적인 중저온 구동이 가능한 양성자 전도성 세라믹 연료전지에 효과적으로 적용하여, 메탄을 연료로 직접 활용할 수 있는 고체산화물 연료전지 개발에 가장 큰 난관이었던 낮은 반응성과 안정성 문제를 획기적으로 개선시켰다”고 설명했다. 이어 “메탄을 포함한 다양한 탄화수소를 고체산화물 연료전지의 연료로 직접 활용할 수 있는 가능성을 제시함으로써 탄소중립을 실현하기 위한 필수 구성요소인 연료전지의 상용화에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
  이번 연구는 산업통상자원부, 한국연구재단, 한국전력(R23XO03)의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communcations)’에 지난해 11월 18일 게재됐다.

[주요내용 설명]

1. 연구의 필요성

메탄 직접 주입형 양성자 전도성 세라믹 연료전지는 효율적인 중저온 작동과 별도의 외부 개질기없이 메탄을 직접 연료로 사용할 수 있는 유망한 전기화학기반의 에너지변환시스템이다. 하지만, 500도 이하의 중저온 작동 시 기존 촉매인 니켈의 낮은 메탄 개질 성능과 반응 후 전극 촉매에 남아있는 탄소 침착 현상으로 안정성이 크게 저하되는 단점이 있다. 따라서, 중저온 작동환경 시 낮은 메탄개질 성능과 높은 탄소침착 반응을 개선하기 위하여, 여러가지 귀금속 촉매를 적용해보는 전략들이 시도되고 있지만 기대보다 낮은 성능과 내구성, 특히 낮은 가격 경쟁력으로 현재까지 메탄 직접 주입형 고체산화물 연료전지의 한계를 돌파할 수 있는 기술적 제안은 없는 실정이다.

2. 연구내용

연구진은 이종합금 자가조립법을 이용한 연료전지 연료극의 개선을 통하여 메탄 직접 주입형 양성자 전도성 세라믹 연료전지의 메탄 개질 성능과 안정성을 확보했다.
  메탄 직접 주입형 양성자 전도성 세라믹 연료전지는 효율적인 중저온 작동과 별도의 외부 개질기없이 메탄을 직접 연료로 사용할 수 있는 유망한 전기화학기반의 에너지변환시스템이다. 하지만 500도 이하의 중저온 작동 시 기존 촉매인 니켈의 낮은 메탄 개질 성능과 반응 후 전극 촉매에 남아있는 탄소 침착 현상으로 안정성이 크게 저하되는 단점이 있다.
공동연구팀은 이를 개선하기 위하여 메탄의 개질 성능과 안정성을 향상시킬 수 있는 니켈-로듐 기반의 이종합금 촉매를 개발하였다.
  특히 분포 및 반응성, 안정성을 극대화하기 위하여 연료전지 제작과정 중 두 촉매가 자가조립되는 현상을 이용하였고, 이를 통하여 기존에 보고된 메탄 직접 주입형 양성자 전도성 세라믹 연료전지 및 고체산화물 연료전지의 성능을 크게 상회하는 세계 최고의 성능을 확보하였다. 또한, 니켈-로듐 이종합금 촉매의 우수한 자가탄소세정 특성으로 인하여 기존 양성자 전도성 연료전지 대비 약 20배 가량 향상된 안정성을 확보하여 다양한 탄화수소를 연료로 직접 활용할 수 있는 고체산화물 연료전지의 상용화에 기여할 수 있는 우수한 기술로 기대된다.

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 1월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>