김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수팀은 신지영 숙명여대 교수, 한정우 서울시립대 교수, 주용완 원광대 교수, 정후영 UNIST 교수와 공동 연구를 통해 새로운 형태의 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)용 연료극 소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

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.

연구팀은 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 저하도 막을 수 있게 됐다.  

연구팀이 개발한 SOFC용 연료극 물질은 연료전지가 작동하는 고온에서 산소를 잃어버리는 상태(환원)가 되면 내부에 있는 전이금속을 꺼내 표면으로 올린다. 이 전이금속이 또 다른 촉매의 역할을 하기 때문에 SOFC는 오랫동안 안정적으로 작동된다.

연구팀은 이 물질을 적용한 SOFC에 프로판 가스를 연료로 직접 사용해 성능을 시험했다. 그 결과 200시간 이상 전류의 강하 없이 안정적으로 작동했다. 또 800도에서 수소를 연료로 사용했을 때 1.2W/㎠의 출력을 보였다. 이는 기존 전극 소재(0.6 W/㎠)보다 2배 정도 뛰어난 출력 값이다.

김건태 교수는 "기존 연료극 소재는 초기에 우수한 성능을 보이더라도 장기적으로는 불안정했고, 제조 공정도 복잡하며, 탄화수소를 직접 연료로 사용했을 때 안정적인 작동이 불가능했다"며 "새로운 연료극 소재는 SOFC 상용화를 선도하는 기술이 될 것"이라고 말했다.   

이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 6월 28일자에 실렸다.