숙명여대 신지영 교수 연구팀, 천연가스 연료전지 상용화 앞당겨

- 숙대 신지영 교수, UNIST 김건태 교수 등과 연료확보와 성능저하 문제 해결한 새로운 형태의 고체산화물 연료전지 연료극 소재 개발...네이처 커뮤니케이션즈에 논문 게재

국내 연구진이 수소 대신 탄화수소를 사용해 장기간 성능이 유지되는 새로운 전극 물질을 개발해 친환경·고효율·저비용 연료전지 상용화에 한발 다가섰다.

숙명여자대학교(총장 강정애) 기계시스템학부의 신지영 교수 공동연구팀은 UNIST 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수, 서울시립대 한정우 교수, 원광대 주용완 교수, UNIST 정후영 교수와 공동으로 새로운 형태의 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)용 연료극 소재를 개발했다고 29일(목) 밝혔다. 해당 연구결과는 세계적인 저널인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 28일자로 발표됐다.

(논문명: Exsolution trends and co-segregation aspects of self-grown catalyst nanoparticles in perovskites)

신지영 교수에 따르면 SOFC는 수소(연료)를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 반응 후에는 물만 배출해 친환경적이며, 다른 신재생에너지에 비해 발전단가가 저렴하다. 배출 열까지 활용하면 발전 효율은 90% 이상으로 높아 차세대 에너지 생산기술로 주목받고 있다. 그러나 연료로 쓰일 수소 확보와 오랫동안 안정적으로 쓸 수 있는 전극 소재 개발이 이뤄지지 않아 상용화가 더뎠다.

이에 신지영 교수팀은 SOFC의 연료로 천연가스나 LPG 같은 탄화수소를 직접 쓰는 연료극 물질(촉매)을 개발해 수소 확보 문제를 해결했다. 이 촉매를 적용한 SOFC는 탄화수소를 수소로 전환하는 과정 없이 연료전지를 작동시킬 수 있다. 또 SOFC에 탄화수소를 직접 쓰면서 생기는 성능 저하를 막을 방법도 찾았다. 새로운 SOFC용 연료극 물질은 연료전지가 작동하는 고온에서 산소를 잃어버리는 상태(환원)가 되면 내부에 있는 전이금속을 꺼내 표면으로 올리고, 이 전이금속이 또 다른 촉매의 역할을 하기 때문에 SOFC가 오랫동안 안정적으로 작동하는 것이다. 연구진은 이 물질을 적용한 SOFC에 프로판 가스를 사용해 성능을 시험한 결과 200시간 이상 전류 강하 없이 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 또한 800℃에서 수소를 연료로 사용했을 때 기존 전극 소재(0.6 W/㎠)보다 2배 정도 뛰어난 1.2W/㎠의 출력값을 보였다.

신 교수는 “기존 연료극 소재는 초기에 우수한 성능을 보이더라도 장기적으로는 불안정했고, 제조 공정도 복잡하며, 탄화수소를 직접 연료로 사용했을 때 안정적인 작동이 불가능했다”며 “세 문제를 모두 해결한 새로운 연료극 소재는 향후 3~4년내에 400억 달러(42조원) 규모로 성장할 것으로 전망되는 세계 연료전지 시장(미국 에너지부 예상)에서 SOFC 상용화를 선도하는 기술이 될 것”이라고 내다봤다.

- 문의: 신지영 기계시스템학부 교수(02-2077-7866)