DGIST, 스스로 조절되는 '스마트' 연료전지 전극 소재 개발

대구경북과학기술원(DGIST)가 에너지공학전공 이강택 교수팀이 새로운 형태의 고성능 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)용 전극 소재를 개발했다고 30일 밝혔다.

수소(연료)를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 SOFC는 반응 후 물만 배출돼 친환경적이고 설치장소 제약이 적어 분산 발전에 적합한 신재생에너지 기술로 각광받고 있다. 

하지만 급작스러운 정지 및 연료공급 중단과 같은 상황에서 전기 생산 반응을 일으키는 전극의 급격한 성능저하 등의 문제로 안정성 확보에 어려움이 있어왔다.

이강택 교수팀은 SOFC 전극의 안정성 문제를 해결하기 위해 이중층 페로브스카이트 구조로 설계된 새로운 전극소재를 개발했다. 개발된 전극소재 내부에는 수소의 산화반응 효율성을 높이는 촉매인 니켈(Ni)이 심어져 있다. 

연료전지가 작동하면 전극 표면에 니켈이 자발적으로 외부로 이동해 나노금속촉매를 형성하는 ‘용출(Exsolution)현상’이 발생한다. 용출된 니켈 촉매는 연료전지의 고효율 산화반응이 일어날 수 있도록 도와줘 연료전지의 안정성과 성능을 함께 향상시켰다.

용출현상은 최근 여러 과학자들 사이에서 연구돼 왔으나 대부분의 연구는 금속나노촉매의 형성과 촉매의 산화반응에 있어 일시적 성능 향상에만 집중돼 있었다. 

이에 반해 이 교수팀의 연구는 산화-환원 주기(Redox Cycle) 속에서 산화반응이 안정적이고 효율적으로 일어날 수 있는 연료전지 전극 개발에 집중해 SOFC 성능 향상과 기술 상용화를 앞당길 수 있는 성과를 거뒀다.

또 이 교수팀의 이번 연구결과는 연료전지의 연료공급여부에 따라 니켈 나노금속촉매가 용출되는 가역적(Reversible) 표면 구조 변화가 가능함을 증명해 앞으로 고성능과 고내구성을 동시에 보장하는 신소재 전극 개발에 새로운 지평을 열어 줄 것으로 기대된다.

DGIST 에너지공학전공 이강택 교수는 “기존 SOFC의 전극 소재는 우수한 성능을 보이더라도 수소공급이 불안정해지면 급격히 성능이 저하되고 본래의 성능을 회복하기 어려웠다”며 “자발적 나노금속촉매 용출 현상 제어를 통해 높은 성능과 함께 산화-환원에 대한 안정성을 개선한 전극 개발은 SOFC의 상용화를 선도하는 기술이 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 촉매 분야에서 권위있는 국제 학술지인 ‘에이시에스 카탈리시스’(ACS Catalysis, Impact Factor=11.384) 저널 온라인판에 2일 게재됐다.

김범수 기자 news1213@naver.com