고온 연료전지 한계 극복할 다공성 요크쉘 촉매 개발

- 경제성·안정성 확보로 용융탄산염 연료전지 보급 확대 기대

국내 연구진이 열효율과 환경친화성이 높은 용융탄산염 연료전지1)의 성능 저하 문제를 극복할 다공성 요크쉘** 촉매 개발에 성공했다.
  한국연구재단(이사장 이광복)은 노현석 교수(연세대학교)와 강윤찬 교수(고려대학교, 공동 제1저자 김진구 박사), 그리고 장원준 교수(경남대학교, 공동 제1저자 전경원 박사) 공동연구팀이 저가의 니켈과 알루미늄으로 구성된 다공성 요크쉘 물질을 제조하고, 이를 이용하여 용융탄산염 연료전지의 고질적 문제인 알칼리 피독3)을 방지할 촉매를 개발했다고 1월 27일 밝혔다.
  용융탄산염 연료전지는 600도 이상의 고온에서 운전되기 때문에 연료전지 내부에서 전기화학 반응과 연료 개질반응이 동시에 진행된다. 이때 전기화학 반응에서 발생하는 열을 흡열반응인 개질반응에 이용해 전체 시스템의 열효율이 증가하고, 시스템 구성도 간단한 장점이 있다. 하지만, 연료전지의 전해질을 구성하는 탄산칼륨(K2CO3)과 탄산리튬(Li2CO3)같은 알칼리 물질이 운전 중 생성되는 수증기에 녹아 나오며  내부개질 촉매를 비활성화 시켜 연료전지의 성능과 수명이 저하되는 한계가 있다.
  연구팀은 다공성 알루미나 요크쉘 구조체를 제조하고 니켈을 담지하여 촉매 성능이 높고, 알칼리 물질에 대한 피독 저항성이 우수한 새로운 구조체 촉매를 개발하였다. 비교 실험결과 기존 상용 촉매는 알칼리 물질이 포함된 내부개질 반응에서 약 13%의 초기 전환율을 나타내고 5시간 후 완전히 비활성화되었다. 반면 새로운 다공성 요크쉘 구조 촉매는 약 90%의 전환율을 24시간 동안 안정적으로 유지하여 알칼리 피독 저항성과 높은 물리적·열적 안정성을 확인할 수 있었다. 또한, 알칼리 물질의 유무와 관계없이 니켈 입자 크기가 촉매 성능과 직접적인 상관관계가 있음을 정량적으로 규명하였으며, 개질반응에서 또 다른 촉매 비활성화 요인인 탄소침적과 알칼리 피독 간의 관계도 밝혀내는 데 성공하였다.
  노현석 교수는 “이번 연구는 저가의 금속으로 새로운 구조체 촉매를 개발하여 용융탄산염 연료전지 보급 확대의 걸림돌로 작용해온 피독 저항성을 극복한 데 의의가 있다”며      “개발된 촉매는 바이오매스나 폐자원과 같은 알칼리 물질이 포함된 물질의 화학적 전환에도 적용이 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.
  과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 추진하는 기초연구실 및 세종과학펠로우십 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘화학공학 저널(Chemical Engineering Journal)’에 2022년 10월 29일 온라인 게재됐다.

[주요내용 설명]

1. 연구의 필요성

용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)는 주로 건물용이나 분산 발전용으로 이용되고 있으며, 저온형 연료전지와 달리 600도 이상의 고온에서 운전되기 때문에 스택 내부에서 전기를 생성하는 전기화학 반응뿐만 아니라 연료 개질반응이 동시에 진행될 수 있어 메탄이나 일산화탄소도 연료로 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전기화학 반응에서 발생하는 열을 흡열반응인 내부개질 반응(CH4 + H2O → H2 + CO)에 이용할 수 있으므로 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하고 시스템 구성이 간단해질 수 있으며, 열병합발전도 가능하다.
  하지만, 연료전지 운전 중 전해질을 구성하고 있는 탄산칼륨(K2CO3)과 탄산리튬(Li2CO3) 등 알칼리 물질이 수증기와 반응하여 수산화물 형태로 녹아 나와 내부개질 촉매를 비활성화시켜 연료전지의 성능과 수명이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 용융탄산염 연료전지의 보급 확대를 위해서는 개질 성능 및 알칼리 저항성이 우수하고, 상용화 가능성이 있는 새로운 촉매 개발이 필요한 상황이다.

<그림 1> 알칼리 물질 저항성을 가진 내부개질 반응용 다공성 요크쉘 촉매
용융탄산염 연료전지에서 수증기에 용해된 알칼리 물질(KOH, LiOH)에 피독 저항성을 갖는 내부개질 반응용 다공성 요크쉘 촉매(Ni/porous yolk-shell Al2O3)를 개발하였으며, 저가의 금속으로 구성된 촉매이지만 높은 활성과 안정성을 나타내었다. (자료제공: 노현석 교수)

<그림 2> 다공성 요크쉘 촉매의 내부개질 반응 결과 및 상관관계 분석
다양한 방법으로 요크쉘 촉매를 제조하고 알칼리 물질이 포함된 내부개질 반응에 적용하였다. 다공성 요크쉘 촉매가 알칼리 물질의 유무와 관계없이 가장 높은 활성과 안정성을 나타내었으며, 고유의 구조적 안정성과 높은 니켈 분산도에 기인한 결과이다. 또한, 니켈 크기와 촉매 성능, 그리고 알칼리 물질과 탄소침적 간의 상관관계도 밝혀내었다. (자료제공 : 노현석 교수)

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