고온 연료전지 한계 극복할 다공성 요크쉘 촉매 개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 고온 용융탄산염 연료전지의 성능저하 문제를 극복할 다공성 요크쉘(Yolk-shell) 촉매 개발에 성공했다.

한국연구재단은 연세대학교 노현석 교수와 고려대학교 강윤찬 교수, 경남대학교 장원준 교수팀이 공동연구를 통해 저가의 니켈과 알루미늄으로 구성된 다공성 요크쉘 물질을 제조하고 이를 이용해 용융탄산염 연료전지의 고질적 문제인 알칼리 피독을 방지할 수 있는 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다.

요크쉘은 코어와 쉘 사이에 빈 공간을 갖는 구조며 피독(Poisoning)은 촉매 활성점에 특정 불순물이 결합해 원하는 반응을 하지 못하게 방해하는 현상이다.

용융탄산염 연료전지는 600도 이상의 고온에서 운전되기 때문에 연료전지 내부에서 전기화학 반응과 연료 개질반응이 동시에 진행된다.
 
전기화학 반응에서 발생하는 열로 전체 시스템의 열효율이 높고 시스템 구성도 간단한 장점이 있다.
 
하지만 연료전지의 전해질을 구성하는 탄산칼륨(K2CO3)과 탄산리튬(Li2CO3)같은 알칼리 물질이 운전 중 생성되는 수증기에 녹아 나오며  내부개질 촉매를 비활성화시켜 연료전지의 성능과 수명이 저하되는 한계가 있다.

이번에 공동 연구팀은 다공성 알루미나 요크쉘 구조체를 제조하고 니켈을 담지해 촉매 성능은 높고 알칼리 물질에 대한 피독 저항성이 우수한 새로운 구조체 촉매를 개발했다.

연구팀이진행한 실험에서 기존 상용 촉매는 알칼리 물질이 포함된 내부개질 반응에서 약 13%의 초기 전환율을 나타내고 5시간 후 완전히 비활성화됐다.

반면 새로운 다공성 요크쉘 구조 촉매는 약 90%의 전환율을 24시간 동안 안정적으로 유지해 알칼리 피독 저항성과 높은 물리적·열적 안정성 확인됐다.

또 알칼리 물질의 유무와 관계없이 니켈 입자크기가 촉매 성능과 직접적인 상관관계가 있음을 정량적으로 규명했으며 개질반응에서 또다른 촉매 비활성화 요인인 탄소침적과 알칼리 피독 간의 관계도 밝혀냈다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 '화학공학 저널(Chemical Engineering Journal)'에 최근 게재됐다.(논문명:Ultra-stable porous yolk-shell Ni catalysts for the steam reforming of methane with alkali poisoning)

노현석 교수는 "이번 연구는 저가의 금속으로 새로운 구조체 촉매를 개발해 용융탄산염 연료전지 보급 확대의 걸림돌로 작용해온 피독 저항성을 극복한 데 의의가 있다"며 "개발된 촉매는 바이오매스나 폐자원과 같은 알칼리 물질이 포함된 물질의 화학적 전환에도 적용이 가능할 것"이라고 말했다.


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