서울과기대 안지환 교수팀, 천연가스 연료전지 고성능 촉매 개발

플라즈마 원자층 증착 공정을 이용한 루테늄 나노 촉매
천연가스 구동 고체산화물 연료전지의 기술적 난점 해결방안 제시

서울과학기술대학교는 MSDE학과 안지환 교수팀(제1저자 계승현, 김형준 연구원/공동저자 고도현, 양병찬, 신정우, 이성제 연구원)이 천연가스 구동 연료전지의 성능 및 경제성을 동시에 향상시킬 수 있는 방안을 증명했다고 15일 밝혔다.

연료전지는 최근 관심이 집중되고 있는 수소 기반 경제 및 수소 전기차의 핵심 시스템이다. 높은 효율로 전기 에너지 변환이 가능하면서도 환경적으로도 청정하다는 장점으로 인해 최근 활발하게 연구개발이 진행되고 있다. 특히 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)로 대표되는 세라믹 연료전지는 효율이 높고 수소 이외의 다양한 연료를 사용할 수 있는 차세대 에너지 시스템으로 각광받고 있다. 이러한 세라믹 연료전지의 연료로 천연가스(주성분 메탄)를 사용할 경우, 기존의 연료 공급 인프라를 활용하면서도 높은 효율로 전기에너지를 생산할 수 있다.

귀금속 소재 기반의 촉매층은 연료전지 막(MEA)의 핵심 요소로써 이 성능과 내구성을 동시에 향상시키는 것이 매우 중요하다. 귀금속 소재의 높은 가격을 고려할 때, 귀금속 함량을 최소화하면서도 촉매 성능을 향상시키는 연구가 필수적으로 여겨진다.

안지환 교수팀은 최신 반도체 공정을 활용해 루테늄(Ru) 나노 촉매 입자를 제작했다. 극소량(＜0.01㎎/㎠)의 귀금속을 사용하면서도 메탄 변환 성능이 우수한 촉매 구조 및 공정을 개발한 것이다. 기존 촉매 대비 귀금속 사용량이 20분의 1 이하에 불과함에도 장시간 구동 시 70% 이상 전극 성능이 개선됐다.

안지환 교수는 “반도체 분야와 에너지(연료전지) 분야 간의 기술 융합을 통해, 새로운 기회를 창출할 수 있음을 보인 사례”라고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단 및 전남지역사업평가단의 지원을 받아 수행됐다. 연구개발 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 물리화학 분야 최우수 저널인 ACS Catalysis(IF 12.35) 온라인 판에 출판됐다.