연세대 홍종섭교수 연구팀, 니켈기반 합금촉매 개발
합금촉매로 연료전지 수소생산성 및 탄소저항성 향상

천연가스나 바이오가스에서 풍부하게 얻을 수 있는 메탄으로 다량의 수소를 만드는 연료전지의 저온운전을 앞당길 소재가 개발됐다.

향후 연료전지를 이용한 수소생산 및 활용효율을 높일 기초자료가 될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 연세대 홍종섭교수 연구팀이 양성자 전도성 세라믹 연료전지의 연료극에 쓰일 수 있는 니켈기반 합금촉매를 개발했다고 25일 밝혔다.

양성자 전도성 세라믹 연료전지는 연료극에서 수소분자가 이온화해 양성자가 전도되면서 발생되는 전자를 이용해 전력을 생산하는 연료전지를 말한다.

기존 니켈기반 연료극은 높은 작동온도(700도 이상)에서 열화현상이 나타나 작동온도를 낮추는 것이 중요하다. 다만, 작동온도를 낮출 경우 연료와 전극의 반응성이 떨어지고, 연료극에서 메탄이 반응해 발생하는 탄소가 연료극의 니켈 표면에 침착되는 것이 문제였다.

이에 연구팀은 니켈전극에 탄소가 침착되지 못하도록 니켈을 로듐 또는 코발트와 합금으로 만들었다.

로듐이나 코발트는 탄소 저항성 및 산소 친화적인 특성의 금속으로 탄화수소 개질에 널리 쓰이는 데, 니켈과 합금 시 니켈 표면에 탄소 결합을 억제하거나 형성된 탄소를 산화시켜 침착을 막는다. 이를 통해 연료극에서의 연료소비를 원활하게 도와 수소 생산성을 높일 수 있다.

그 결과, 저온영역(500도)에서 메탄연료를 사용했을 때 연료극을 모사한 니켈촉매보다 연구팀이 제안한 합금촉매를 적용한 경우 메탄 전환율과 수소 생산수율이 최대 2배 이상 늘어났다. 또, 메탄 연료로부터 꾸준히 수소를 얻을 수 있는지 확인하기 위해 장기 안정성 평가를 진행했다.

그 결과, 합금 소재 적용 시 비활성화(운전시간 동안 촉매와 반응하는 메탄연료의 감소율)정도가 니켈촉매(24.8%)에 비해 코발트합금(10.5%)은 약 2배, 로듐합금(3.3 %)은 약 7배 이하로 개선됐다.

특히, 습식합성법을 이용해 직경 수십 나노미터(㎚)의 균일한 크기와 특성을 갖는 합금을 형성하고, 반응성을 극대화할 수 있도록 반응 표면적을 넓힌 결과가 나왔다.

연구팀은 이번 연구에서 확보한 결과를 향후 상용급 양성자 전도성 세라믹 연료전지 스택에 적용, 검증할 계획이다.

이번 연구 성과는 에너지분야 국제학술지 ‘저널 오브 머터리얼스 케미스트리 에이’2월24일자에 게재됐다.