연료 전지는 실용성과 경제성에서 취약했지만 이 문제를 해결한 새로운 셀이 개발됐다.

조지아공대(Georgia Institute of Technology)가 주도한 이 연구는 아직은 연구실 단계지만 언젠가는 가정과 자동차에 전력을 공급할 가능성이 높다. 네이처 에너지(Nature Energy)에 실린 논문은 연구자들이 새롭게 개발한 연료 촉매로 전체 연료 전지를 재구성한 방법을 자세히 설명했다.

고가의 수소 연료를 사용하지 않아도 촉매는 값 싸고 쉽게 이용할 수 있는 메탄에서 자체적으로 제조 가능하다. 또한 메탄 연료 전지에서 불가피했던 고온의 작동 온도를 극적으로 낮췄다.

메탄 연료전지는 작동을 위해 보통 섭씨 75도에서 1,000도의 온도가 필요했다. 이 새로운 엔진은 섭씨 약 섭씨 600도에서 작동하는 자동차 내연엔진보다 더 낮은 약 500도의 온도를 필요로 한다.

이 온도가 낮으면 연료 전지를 작동시키는 데 필요한 보조 기술에 비용 절감 효과를 유발할 수 있다. 잠재적으로 새로운 전지를 상용화 할 수 있다.

연구진은 엔지니어가 이전 메탄 연료전지에 들였던 노력의 일부만으로도 이 연료 전지 개발을 위한 전력 장치를 설계 할 수 있다고 확신한다.

연구를 이끈 GeorgiaTech 멜린 류(Meilin Liu) 리젠트 교수는 “우리 셀은 인터 커넥터를 만들기 위해 값싼 스테인레스 스틸을 사용하는 간단하고 견고한 시스템”이라며 “기존 연료전지는 섭씨 750 도가 넘으면 금속은 온도에 견딜 수 없고 산화를 피할 수 없다. 매우 비싼 재료가 필요하고 깨지기 쉽고 전지를 오염시킨다”고 말했다. 인터커넥터는 많은 연료 전지를 하나의 스택 또는 기능 장치에 모으는 데 도움이 되는 부품이다.

연구실의 대학원 연구 조교로 본 연구의 제1저자 벤 데글리 (Ben deGlee)는 “섭씨 500도까지 온도를 낮추는 것은 이 세계에서 센세이션이다. 극소수의 사람들만 그것을 시도했다. 이처럼 온도를 낮추면 스택과 연결된 기술을 설계하는 엔지니어의 업무가 훨씬 쉬워진다”고 말했다.

“탱크없는 온수기 같이 이 장치를 설치할 수 있다는 희망이 있다. 집에 전력을 공급하기 위해 천연 가스를 사용하지 않아도 될 것이다 .”

새로운 전지는 또한 메탄과 물을 수소 연료로 전환하는 데 필요한 스팀 개질 장치라고 하는 주요 보조 장치가 필요하지 않다.

이 연구는 상용화 가능성이 높은 연료 전지 유형인 고체 산화물 연료 전지(SOFC)에 기반을 두고 있다. SOFC는 사용할 수 있는 연료의 다양성으로 유명하다.

새로운 셀이 자동차에 잠시 동안 전력을 공급하지 못할지라도 시장에 출시되면 더 분권화되고 더 깨끗하고 저렴한 전력 그리드의 일부로 먼저 도입 할 수 있다. 연료전지 작동에 필요한 부수적 연료 전지 스택 자체는 신발 상자의 크기다.

류는 “탱크없는 온수기 같이 이 장치를 설치할 수 있다는 희망이 있다. 집에 전력을 공급하기 위해 천연 가스를 사용하지 않아도 될 것”이라고 말했다.

메탄 수소 변환

수소는 연료 전지에 전력을 공급하는 데 있어 최고의 연료이지만 비용은 엄청나다. 연구진은 세륨, 니켈 및 루테늄으로 제조한 Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2 (CNR로 약칭) 화학식을 갖는 새로운 촉매를 통해 연료 전지 자체에서 메탄을 수소로 변환하는 방법을 알아냈다.

메탄 및 물 분자가 촉매 및 열과 접촉하면 니켈이 화학적으로 메탄 분자를 절단한다. 루테늄은 물과 동일하다. 그 결과 수소 (H2)와 일산화탄소 (CO)로 다시 응축된다.

CO는 대부분의 연료 전지에서 성능 문제를 일으키지만 여기서는 연료로 사용한다. H2와 CO는 양극을 구성하는 추가 촉매 층으로 계속 진행되며, 전자를 차단하는 연료 전지의 부분은 일산화탄소와 수소를 양전하를 띤 이온으로 만든다. 전자는 전기 흐름을 만드는 전선을 통해 음극 쪽으로 이동한다.

그곳에서 산소는 전자를 빨아 올려 전기 회로를 닫고 산소 이온이 된다. 이온화 된 수소와 산소는 응축 물과 만나서 시스템을 빠져 나간다. 일산화탄소와 산소 이온은 순수한 이산화탄소가 되기 위해 만난다.

연료전지 기술은 내연엔진보다 훨씬 적은 이산화탄소를 생성한다.

일부 연료전지에서는 초기 반응의 물을 외부에서 도입해야 한다. 이 새로운 연료 전지에서는 메탄과 반응하기 위해 다시 순환하는 물을 형성하는 마지막 반응 단계에서 보충된다.

CNR 촉매 수렴

캔사스대 공동 연구자가 제조 한 새로운 촉매제 CNR은 전지 양극 측의 외층이며 세포의 수명을 연장시켜 붕괴로부터 보호한다.

음극 말단에서 산소의 반응과 시스템을 통과하는 움직임은 일반적으로 느리지만, 류 연구실은 최근 연구실이 이전 연구에서 개발한 나노 섬유 음극(nanofiber cathodes)을 사용, 전기 출력을 높이기 위해 최근에 가속화했다. 맞춤형 이중 페 로브스카이트(double perovskite) 나노 파이버 촉매는 초고속 산소 발생을 가능하게 한다.

연구원들이 연료 전지를 재해석, 저온에서 메탄을 사용하도록 했다. 루테늄 – 니켈 기반 촉매 (여기에서 녹색으로 표시)는 새 연료전지의 단일 물질 혁신이다. credit : Georgia Tech / Liu 연구실.

첸은 “나노 파이버 음극뿐만 아니라 다양한 촉매의 구조가 모두 함께 작동 온도를 낮출 수 있었다”고 말했다.

공동 저자는 류의 연구실 박사후 연구원 우첸(Yu Chen), 켄자스대(University of Kansas) 우 (Yu Tang)등이 참여했다. 연구는 미국 에너지부(Department of Energy) 기초 에너지 과학사무소와 ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy)의 지원을 받았다. 또한 National Science Foundation의 Division of Chemistry에서 자금을 지원 받았다.

*논문 : A robust fuel cell operated on nearly dry methane at 500 °C enabled by synergistic thermal catalysis and electrocatalysis(Yu Chen, Ben deGlee, Yu Tang, Ziyun Wang, Bote Zhao, Yuechang Wei, Lei Zhang, Seonyoung Yoo, Kai)

* 출처 : Georgia Tech