환경에너지공학과 장원준 교수 연구팀은 최근 연료전지의 고질적 문제인 ‘알칼리 피독’을 방지하는 촉매 개발에 성공했다.
그동안 장원준 교수는 공동 제1저자인 전경원 박사, 연세대 노현석 교수, 고려대 강윤찬 교수와 함께 고온 연료전지의 한계를 극복하는 ‘다공성 요크쉘 촉매 개발’에 대한 공동연구를 진행해왔다.
이번에 개발된 촉매는 저가의 니켈 알류미늄으로 구성된 다공성 요크쉘로, 기존 ‘용융탄산염 연료전지’의 성능을 저하시키는 고질적 문제인 ‘알칼리 피독을 방지한다.
요크쉘이란 코어와 쉘 사이에 빈 공간을 갖는 구조이다. 또 피독은 촉매 활성점에 특정 불순물이 결합해 원하는 반응을 하지 못하게 방해하는 현상을 말한다.
용융탄산염 연료전지는 600도 이상의 고온에서 운전되기 때문에 연료전지 내부에서 전기화학 반응과 연료 개질반응이 동시에 진행된다. 이때 전기화학 반응에서 발생하는 열을 흡열반응인 개질반응에 이용할 수 있어 전체 시스템의 열효율이 증가하고, 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 비활성화 시켜 연료전지의 성능과 수명이 저하되는 한계가 있었다.
여기서 장원준 교수 연구팀은 니켈과 다공성 알루미늄으로 구성된 요크쉘 구조체를 통해 촉매 성능이 높고, 알칼리 물질에 대한 피독 저항성이 우수한 새로운 구조체 촉매를 개발한 것이다.
또한, 알칼리 물질의 유무와 관계없이 니켈 입자 크기가 촉매 성능과 직접적인 상관관계가 있음을 정략적으로 규명하였고, 개질반응에서 또 다른 촉매 비활성화 요인인 탄소침적과 알칼리 피독 간의 관계도 밝혀내는 데에도 성공했다.
이를 통한 연구 성과는 올해 2월 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal(IF: 16.744, JCR rank: 2.8%)’에 게재되었다.
한편, 장원준 교수는 ‘미래형 자동차 기술혁신인력양성사업’에 참여하고 있으며, 수소연료전지 및 폐기물 분야에서 연구슬 수행할 석·박사과정 학생을 모집 중이다.
