UNIST 김건태 교수 등 국제공동연구팀

효율이 가장 높은 고체산화물연료전지(SOFC)의 고효율 전극소재가 한일 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술대학교(UNIST) 김건태 교수, 박노정 교수, 동의대 기계공학과 신지영 교수, 일본 규슈대 다츠미 이시하라 교수 등이 참여한 국제공동연구팀은 최근 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 성능을 2배 이상 높인 새로운 청정 에너지원 전극소재를 개발했다고 밝혔다.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 용융탄산염(MCFC), 백금촉매방식(PEFC), 고체산화물(SOFC) 등으로 나뉜다. MCFC는 발전용과 건물용에 쓰이며 포스코에너지가 작년에 부품 모두를 국산화에 성공했다. PEFC는 우리나라의 경우 1990년 초 관련 기술을 습득한 바 있다. 하지만 백금을 사용하기 때문에 가격이 비싸다. 최근 두산그룹이 인수한 퓨얼셀파워가 이 방식의 기술을 갖고 있다. SOFC는 가장 최근 기술로 안정적이고 값이 싸 일반 가정에서도 사용할 수 있지만 현재 핵심기술은 유럽이 보유하고 있으며 우리나라는 아직 기술이 미비한 상태이다.

SOFC는 전력을 저장해 사용하는 전지와 달리 수소와 공기만으로 전기를 발생시키는 친환경 에너지원이다. 상대적으로 가격이 저렴하고 연료의 연소과정이 없어 유해 물질을 배출하지 않는다. 50% 이상의 에너지 효율을 보여 원자력 발전을 제외하고 가장 효율적이다. 반면 저온에서 출력이 떨어지는 단점 때문에 800℃ 이상 고온에서 작동해야 하지만 고온에서 장시간 사용하면 내구성이 저하돼 고온을 견뎌낼 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야만 하는 문제점이 있어 왔다.

이에 연구팀은 페로브스카이트라는 물질에 베륨(Ba)을 25% 줄이고 칼슘(Ca)을 25% 늘려 만든 이중 구조의 페로브스카이트를 개발해 전극에 활용했다. 전자 친화도가 높은 칼슘의 증가로 안정성을 향상시키고 산소 이온을 빠르게 확산시켜 성능을 향상시킨 것이다.

공동 연구팀이 개발한 전극소재의 성능을 시험한 결과 550℃에서 전압이나 전류가 150시간 이상 성능저하 없이 유지됐다. 또 600°C에서 세계 최고인 2.2W/㎠의 출력을 보여 고온(800℃ 이상)의 고체산화물연료전지와 유사한 성능을 보였다.

이번 한일연구팀의 이번 연구결과는 기존 연료전지의 불안정성 문제를 해결해 향후 개량된 성능의 SOFC 전극소개 기술을 개발에 큰 기여를 할 전망이다.

연구책임자인 UNIST 김건태 교수는 “높은 성능을 안정적으로 유지하는 전극 소재의 개발로 국내외 연료전지 실용화와 산업화에 크게 기여할 것”이라며 “상대적으로 가격이 저렴한 고체산화물 연료전지가 상용화되면 수 천억원에 해당하는 비용 절감이 가능하다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행됐으며 연구결과는 세계적 권위의 학술지 앙게반테 케미(Angewandte chemie) 인터내셔널 에디션(International Edition) 10월호 온라인 판에 게재됐다.