[신기술] 연료전지 효율, 상용화를 앞당기는 기술

강창대 기자
입력 2019.08.01 00:00

연료전지 효율, 상용화를 앞당기는 기술

촉매 활성 자리 규명과 고체산화물 연료전지

수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지에는 산소환원반응을 돕는 ‘촉매’가 가장 중요하다. 기존에는 촉매로 사용하던 백금(Pt)을 저렴한 다른 금속으로 대체하려는 시도가 많다. 울산과학기술원(UNIST) 화학공학부 연구팀 과 중국 난징대(NUIST) 연구팀이 공동으로 아연-질소-탄소로 이뤄진 새로운 촉매를 합성해 높은 효율과 안정성을 보이 는 촉매를 개발했다. 뿐만 아니라, 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공해 높은 효율을 내는 촉매를 설계할 수 있는 길을 열었다. 이 소식과 더불어, 국내 기술로 만든 2㎾급 고체산화물 연료전지(SOFC)가 본격적인 가동에 들어갔다는 소식도 전한다.

정리 강창대 기자

UNIST 에너지 및 화학공학부의 백종범 교수팀은 중국 난징대의 부 윈페이(Yunfei Bu) 교수팀과 공동으로, 아 연-질소-탄소로 이뤄진 새로운 촉매를 합성하고, 이 촉매에서 산소환원 반응이 잘 일어나는 활성 자리를 찾는 데 성공했다.

연구팀의 설명에 따르면, 기존 촉매 연구는 주로 값비 싼 백금(Pt)을 대체하는 고효율 전이금속 촉매의 합성 에 초점이 맞춰져 있다고 한다. 이에 최근 백금을 대체 하면서도 고효율을 얻을 수 있는 촉매에 관한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 새롭게 합성한 촉매 내에서 최적화된 반응이 일어나는 구체적인 위치를 찾는 연구 는 많지 않았다고 한다. 이번 연구는 대체 물질로 촉매 를 합성하는 데 성공했을 뿐만 아니라, 촉매의 활성 자 리를 규명함으로써 효율이 높은 촉매를 설계할 수 있 는 가능성을 열었다는 점에서 눈길을 근다.

연구팀은 아연(Zn)과 질소(N), 탄소(C)로 이뤄진 새로운 전이금속 촉매(ZnNC)를 합성한 다음, 분광 분석 장비 와 밀도범함수 이론(DFT, Density Functional Theory) 을 이용해 산소환원반응이 잘 일어나도록 도와주는 촉 매 구조를 찾아냈다. 밀도범함수 이론은 물질이나 분 자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역 학으로 계산하기 위한 이론의 하나라고 한다.

[그림 1] 가능한 전이금속 원자(가운데)와 탄소(바깥부분), 질소(중간 연결부)와의 결합구조 모식도. 연구팀의 ZnCN은 아연(Zn) 원자 하나와 질소(N) 원자 두 개가 결합한 구 조를 가지며 이상적인 산소환원반응 활성자리임을 보인다.

전이금속 촉매와 촉매의 활성 구조

연구진이 사용한 분광 분석 장비는 ‘X-선 흡광 분석기 (X-ray Absorption Fine Spectroscopy)’다. X-선 흡광 분 석기는 X-선을 쪼였을 때 물질 내 전자가 X-선을 흡수 하는 모양(spectrum)이 물질마다 다르다는 원리를 이용 한 분석 장비이다. X-선을 물질에 일정 에너지 이상으 로 쪼여주면, 원자 껍질의 최내각 전자가 X-선의 에너지 를 받아 원자 외부로 튕겨 나가고(여기, excitation), 원자 껍질의 최외각의 전자가 그 빈자리를 메우게 된다. 이러한 일련의 과정에서 전자파가 발생하는데, 이 전자파의 형태와 강도(spectrum)는 물질마다 다르기 때문에 그 물질과 주변 정보를 얻을 수 있는 것이다. X-선 흡광 분 석은 이러한 원리를 이용해 원자 주변의 화학적 환경 및 결합에 대한 정보를 추출하게 된다.

X-선 흡광 분석은 관찰하는 스펙트럼 영역에 따라 크 게 두 가지로 나뉠 수 있다. 첫째는 흡수단(absorption edge)근처의 세부 형상 및 에너지 변화를 관찰하는 XANES 방법이다. 이 방법은 원자의 산화수와 주위 구 조(geometry)에 대한 정보를 제공한다. 둘째는 흡수단 근처 X-선 에너지보다 더 높은 영역을 관찰하는 EXAFS 방법이다. 이 방법을 통해 원자간 결합거리, 주 변 원자의 종류에 대한 정보를 얻을 수 있다.

기존 아연 촉매에 대한 연구는 원자의 결합 종류에 대 해서만 알 수 있는 EXAFS를 이용했지만, 이 방법으로 는 활성 반응 자리가 질소와 아연 원자로 구성돼 있다 는 사실을 확인하는 데 그쳤다. 반면 이번 연구팀은 EXAFS 분석과 함께 XANES 분석을 추가해 아연 원자와 질소 원자가 1:2의 비율로 결합할 때 촉매 활성화 정 도가 가장 높다는 걸 밝혔다. 또 이러한 Zn-N₂구조의 촉매가 귀금속인 백금에 비교해 산소 환원 반응도가 더 우수함을 실험을 통해 입증했다. 이 실험결과는 범밀도 함수를 적용해 계산한 이론값과도 일치 했다고 한다.

효율적인 전이금속 촉매의 개발 기대

산소환원반응에 최적화된 결합 형태에 대한 연구가 이 론적으로 많이 이뤄지고 있다고 한다. 그러나 아연(Zn) 의 경우 이론적으로만 이상적인 구조형태를 제시되고 있는 실정이고, 실험적으로 이론을 증명한 연구 결과 는 미비하다는 게 연구팀의 설명이다. 이러한 연구들은 좋은 촉매 성능을 보이지만 정확하게 반응이 일어나는 활성 자리(특정구조)를 제시하지 못해 촉매 개발에 효 율적이지 못하다. 연구팀은 이번 연구 성과를 통해 아 연(Zn)을 활용하는 촉매의 최적화된 결합 형태를 찾아 냄으로써 전이금속 촉매의 개발에 큰 도움이 될 것이 라는 기대를 내비쳤다.

공동 제1저자로 연구를 주도한 UNIST 에너지 및 화학공 학부의 펑 리(Feng Li) 박사는 “아연 원자 한 개에 질소 원 자 두 개가 결합한 Zn-N₂형태가 산소환원반응 촉매의 이상적인 활성 구조임을 밝혀냈다”며 “이번 연구에 쓰인 방식을 활용하면 다른 전이금속 촉매의 활성 구조를 찾 는 데도 도움이 될 것”이라고 전했다.

이번 연구는 저명한 국제학술지 네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)에 6월 13일자에 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 리더연구자지원사 업(창의연구)과 BK21 플러스사업, 우수과학연구센터 (SRC), 중국 국가자연과학기금 위원회, 장쑤(JangSu) 지방 자연과학위원회의 지원으로 이뤄졌다.

[그림 2] 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 산화지르코늄(ZrO₂)이나 세리아(CeO₂)등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 연 료전지로, 수소를 연료로 사용해 공기 중 산소와 화학반응을 일으켜 전기를 생성한다.

UNIST 과일집 불 밝히는 고체산화물 연료전지

UNIST는 7월 16일에 사이언스월든의 생활형 연구시설 ‘과일집’(과학이 일상으로 들어오는 집, 125동)에 설치된 ‘ 고체산화물 연료전지’(SOFC)가 성공적인 시운전을 마 치고 본격 가동에 들어갔다는 소식을 전했다. 국내 기 술로 제작된 SOFC가 실생활에 적용된 사례는 이번이 처음이라고 한다.

SOFC는 탄화수소를 원료로 공기 중 산소와 전기화학적 방법으로 반응시켜 전기를 만드는 고효율 장치다. 산소 이온을 고체전해질로 통과시키면 화학반응을 통해 전기 와 물, 열이 생산되는 원리를 이용한다. 수소를 따로 저 장할 필요가 없는 안전한 전기 생산 장치이며, 발전과정 에서 발생하는 오염물질이 적어 친환경적이다. 더불어 반응에서 배출되는 열을 따로 활용할 수 있고, 발전단가 도 저렴해 차세대 에너지 생산기술로 주목받고 있다.

이번에 가동을 시작한 SOFC(2㎾급 TUCY)는 연료전지 전문기업 ㈜미코(회장 전선규)가 UNIST와의 공동연구 를 위해 설치한 것이다. 설치된 SOFC는 과일집에서 생 산된 바이오 가스와 도시가스 라인을 이용해 시설 운영 에 필요한 전력을 생산하게 된다. 발전용량은 2㎾로, 이 는 최대 4~5가구가 동시에 사용할 수 있는 규모다. ㈜미 코는 2008년부터 자체 기술력을 바탕으로 SOFC 제작 에 뛰어들었고, 최근 투시(TUCY)의 발전효율을 국내 최 고 수준인 51.3%까지 끌어올렸다고 한다. 또한 이 장치는 2018년 한국가스안전공사의 설계단계검사에 합격해 판매 가능한 제품으로 인정받았다.

이번 SOFC 설치 및 운영은 지난 2018년 12월 진행된 UNIST와 ㈜미코 간의 업무협약에 따른 후속작업이다. ㈜미코는 산업통상자원부 에너지기술개발사업으로 추 진되는 ‘㎾급 건물용 SOFC 시스템 실용화 기술개발 사 업 ’ 의 일환으로 운전실증과 협력 연구를 진행하고 있다.

이산화탄소 먹고, 전기·수소 만드는 기술

UNIST와 ㈜미코는 설치된 장비의 실증을 통해 개선점 을 찾고, 공동 기술개발을 통해 상용화 속도를 앞당길 계획이다. 특히 김건태 교수팀이 최초로 개발한 ‘메 탈-CO₂시스템 ’ 기술을 활용, SOFC의 발전과정에서 발 생하는 이산화탄소를 완전히 제거하고 재활용함으로써 세계에서 최초로 ‘CO₂-Free 전기발전 시스템’을 개발하 는 것을 목표로 한다. 김건태 교수팀은 지난 6월 4일 이 산화탄소를 사용해, 전기와 수소를 생산하는 ‘수계 금 속(아연, 알루미늄)-이산화탄소 시스템’(Aqueous Zn or Al?CO₂System)을 개발했다고 밝힌 바 있다. 이 기술이 ‘메탈-CO₂시스템 ’이다.

이 연구는 이산화탄소를 물에 녹이면 손쉽게 다른 물질로 전환할 수 있다는 점에 착안했다. 이산화탄소가 물 에 녹게 되면, 그 물은 수소이온(H+)이 많아져 산성을 띠 는 물이 되면서, 전자(electron)들이 이동하면서 전기 에 너지가 만들어지는 것이다. 전기가 만들어지는 과정에 서 이산화탄소는 다른 물질(탄산수소칼륨)로 변환되는 데 이 때 전환 효율은 57% 혹은 그 이상이 된다. 또한, 그 과정에서 수소도 생산되기 때문에 일석이조의 효과 를 거둘 수 있다. 이 연구는 기존보다 저렴한 전극(금속) 과 분리막으로 바꿔 가격을 낮추었을 뿐만 아니라, 폭발 위험이 없어 안전하며 전기 출력과 수소 생산 속도도 크 게 높였다는 평가를 받았다.

한편, ‘똥본위화폐’를 연구하고 있는 사이언스월든에서는 인분에서 바이오 가스를 생산하는 시스템을 개발하 고 있다. 과일집에서 생산된 바이오 가스는 처리 작업을 거쳐 SOFC의 원료로 사용될 수 있는데, 이렇게 되면 인 분으로부터 전기를 생산할 수 있는 시스템을 구축할 수 있다. 이는 바이오가스와 SOFC 분야의 성공적인 협업 의 성과가 될 것으로 기대된다.

UNIST에서 SOFC 연구를 수행하고 있는 김건태 교수 는 “일본 등 해외에서는 도시가스 인프라를 활용한 공 공주택, 병원 등 상업용 건물의 SOFC 적용 사례가 증가 하는 추세”라며 “이번에 적용된 SOFC 설비를 이용한 공동 연구개발로 국내 기술의 경쟁력을 끌어올릴 수 있 을 것으로 기대한다”고 밝혔다.