광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 주종훈 환경·에너지공학과 교수팀이 이동화 포항공과대학교(POSTECH) 교수팀, 김선동 한국에너지기술연구원(KIER) 박사 연구팀과 공동으로 메테인을 직접 연료로 사용하는 고체산화물전기화학셀의 발전 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있는 '촉매 일체형 집전체' 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.
고체산화물전기화학셀은 고온에서 전기를 효율적으로 생산하는 차세대 발전 장치다. 수소는 물론 메테인 등 탄화수소 연료를 두루 활용할 수 있어 범용성이 뛰어나다. 메테인을 셀 내부에서 직접 수소로 바꾸면 부피가 큰 외부 장치를 줄일 수 있어 훨씬 효율적이다.
하지만 여기에는 치명적인 단점이 있다. 기존의 일반적인 니켈 기반 연료극을 쓰면 메테인이 분해되는 과정에서 탄소 찌꺼기가 쌓이는 '탄소 침적(Coking)'이 발생해 기기의 수명과 성능을 크게 떨어뜨리기 때문이다.
그동안 학계에서는 이러한 탄소 침적을 막기 위해 부품의 소재를 아예 바꾸거나 내부에 촉매를 억지로 집어넣는 방식을 주로 연구해 왔다. 이 방식은 고온에서 부품을 굽는 과정 중 원치 않는 화학반응을 일으키거나 처리 공정이 너무 복잡해 실제 산업 현장에서 크기를 키우거나 대량 생산하기에는 뚜렷한 한계가 있었다.
연구팀이 이번에 선보인 촉매 일체형 집전체는 복잡한 공정 대신 부품을 용액에 담갔다 빼고(딥코팅) 고온에서 굽는(열처리) 비교적 간단한 방식을 적용해 기존의 한계를 단번에 극복했다. 전류가 가장 먼저 통과하는 집전체 표면에서 니켈은 메테인이 수소로 바뀌는 반응을 촉진하고, 구리는 탄소 침적을 막아준다.
여기에 단순히 전류를 모으는 역할만 하던 기존 니켈 폼 집전체에 구리-니켈 합금과 가돌리늄 도핑 세리아(GDC) 소재가 더해져 산소 이동을 활발하게 만들어 표면에 붙은 탄소까지 깨끗하게 청소해 주며, 부품 본연의 전기전도성도 유지한다. 이렇게 개발한 촉매 일체형 집전체는 부품 간의 전기적 접촉을 크게 향상시켜 압도적인 성능 개선을 이뤄냈다.
주종훈 교수는 “기존에는 메테인 사용에 따른 탄소 침적을 줄이기 위해 연료극 소재 자체를 바꾸는 데 주력했다면, 이번 연구는 기존 공정을 그대로 유지하면서 집전체 부품 하나에 새로운 기능을 부여해 문제를 해결한 발상의 전환”이라고 설명했다.
이어 “앞으로 대면적 셀과 스택으로 연구를 확장해 실제 발전소나 분산발전 시스템에 바로 적용할 수 있는 고효율 연료전지 기술로 발전시키겠다”고 포부를 밝혔다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
