▲ ▲ 수소 및 탄화수소를 사용했을 때 최대 전력 밀도 연구진이 개발한 연료전극으로 만든 연료전지를 850℃에서 수소를 연료로 가동했을 때 최고 1.7W/㎠(빨간 선)의 출력을 보였다. 또 프로판가스를 연료로 700℃에서 가동할 때는 1.3W/㎠(파란선)의 출력을 기록, 기존 연료전지보다 효율이 2배 이상 높은 것으로 나타났다.

국내 연구진이 수소 대신 천연가스를 직접 연료로 사용할 수 있는 새로운 연료전지 전극 소재를 개발했다.

울산과학기술대(UNIST) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 22일 천연가스, LPG 등 기존 탄화수소(CH) 계열 연료를 직접 사용할 수 있는 고체산화물 연료전지(SOFC)용 전극 소재를 개발했다고 밝혔다.

연구진이 개발한 연료전극 소재는 프로판가스를 직접 연료로 사용해 700℃에서 1.3W/㎠의 전력을 생산, 기존 전극보다 2배 이상 성능이 향상됐다. 수소를 연료로 사용할 때는 850℃에서 1.7W/㎠의 전력 생산을 기록했다.

이 연구결과는 재료과학분야 국제학술지 '네이처 머티리얼스'(Nature Materials) 22일자(영국시간)에 게재됐다.

고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소나 탄화수소를 공기와 반응시켜 전기와 물을 발생시키는 친환경 에너지원이다. 수소 대신 탄화수소를 연료로 사용하면 이산화탄소(CO₂)가 발생하지만 에너지 전환 효율이 90% 이상으로 화력발전(효율 30∼35%)보다 훨씬 높아 친환경적이다.

그러나 지금까지는 연료전지의 주원료인 수소를 생산하는 비용이 비싸고 고체산화물 연료전지의 경우 탄화수소를 직접 연료로 쓰면 그을음처럼 탄소가 전극에 쌓이고 황화합물이 전극 표면을 덮어 전극 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있었다.

김 교수팀은 이 연구에서 기존 전극 소재로 쓰이던 페로브스카이트라는 물질의 구조를 2중 층 구조로 바꾸는 기술을 개발, 탄화수소를 직접 연료로 사용할 때 탄소나 황화합물로 인해 전극 성능이 떨어지는 문제를 해결했다.

이 전극을 사용한 연료전지에 700℃에서 프로판가스를 연료로 공급하면서 500시간 가동한 결과 전극에 탄소가 쌓이는 현상이 일어나지 않았으며 생산되는 전기의 전압도 유지되는 것으로 확인됐다.

연구진은 탄화수소 연료를 사용하는 고체 산화물 연료전지의 안정성 측면에서 세계 최고 수준이라며 이 전극 소재가 미래 청정 에너지원으로서의 연료전지 상용화를 더욱 앞당길 것으로 예상했다.

미국 에너지부(DOE)에 따르면 세계 연료전지 시장 규모는 2013년 1조8천억원에서 2020년 42조원(400억 달러)로 증가할 것으로 예상된다.

연구진은 새 연료전극을 활용한 발전·난방 겸용 연료전지의 상업화가 2020년께 가능할 것으로 보고 이 연료전극 소재가 고체산화물 연료전지 제조원가를 5천억원 이상 절감해줄 것으로 전망했다.

김건태 교수는 "기존 연료전극 소재들은 초기에 우수한 성능을 보이더라도 안정성이 낮아 탄화수소 연료를 직접 사용할 때 안정적인 작동이 불가능했다"며 "이 연료전극 소재는 프로판 가스를 직접 사용할 때 향상된 성능과 뛰어난 안정성을 보였다는 점에서 연료전지 상용화를 선도할 최고 수준의 기술"이라고 말했다.