기계공학부 이원영 교수는 연세대학교 홍종섭 교수, 서울과학기술대학교 최민기 교수와 공동연구로 도시가스(메탄)를 별도의 개질기없이 직접 연료로 활용해서 세계 최고 수준의 성능과 내구성을 보이는 양성자 전도성 세라믹 연료전지를 개발한 연구결과를 세계적으로 권위 있는 학술지인 Nature Communcations에 게재했다.

도시가스의 주성분인 메탄을 포함한 다양한 탄화수소를 연료전지의 연료로 직접 활용하게 되면 별도의 개질기가 필요하지 않아 시스템 구성이 간소화되고 아직은 값비싼 그린수소를 사용할 필요도 없으며 기존의 도시가스 공급망을 그대로 활용할 수 있는 등 다양한 장점이 있어 활발한 연구가 진행되고 있다.

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.

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 크게 주목을 받고 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 500시간동안의 장기운전에서도 기존의 연료전지에 비하여 20배 이상 향상된 안정성을 보이는데 성공하였다.

연구팀은 “이중합금촉매 자가조립이라는 간단하면서도 확실한 방법을 효율적인 중저온 구동이 가능한 양성자 전도성 세라믹 연료전지에 효과적으로 적용하여, 메탄을 연료로 직접 활용할 수 있는 고체산화물 연료전지 개발에 있어 가장 큰 난관이었던 낮은 반응성과 안정성 문제를 획기적으로 개선시킬 수 있었다”고 연구 의미를 설명했다. 또한, “메탄을 포함한 다양한 탄화수소를 고체산화물 연료전지의 연료로 직접 활용할 수 있는 가능성을 제시함으로써 탄소중립을 실현하는데 필수적인 구성요소인 연료전지의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구성과는 산업통상자원부 (P0021202), 한국 연구재단 (2023M3J1A1091543, 2022R1A2C3012372, 2022R1A4A1031182, 2021K1A3A1A20002574, 2021R1C1C2006657) 그리고 한국전력 (R23XO03) 의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지 Nature Communications에 11월 18일자 온라인 게재되었다.

자가조립 이종합금 촉매 기반 메탄 직접 주입형 양성자 전도성 세라믹 연료전지의 작동원리와 니켈-로듐 이종합금 촉매 이미지