□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 지구․환경공학부 이재영 교수(교신저자, RISE 화학전지연구센터)와 장한샘 박사과정생(제1저자)이 다음 세대 자발적 전기에너지 생산 시스템으로 주목받고 있는 석탄탄소연료전지(이하 석탄전지)의 성능저하 원인을 규명하는 데 성공했다.

∘    이번 성과는 다양한 석탄, 폐커피 분말, 활성탄 등의 탄소계 물질 중 운전효율을 극대화 할 수 있는 연료를 선택, 사용할 수 있도록 규격을 제시함으로서 안정적 에너지원 확보의 새로운 패러다임을 전개할 수 있는 계기를 마련했다고 할 수 있다.

□  석탄전지는 카르노순환*에 지배 받지 않는 열역학적으로 우수한 전력생산 장치로써, 높은 효율, 구조적 단순성, 연료 유연성 등의 다양한 이점이 있어 차세대 고온형 연료전지로 주목받고 있다. 하지만 종종 관찰되는 비정상적인 성능저하 때문에 연료전지 운전에 어려움을 겪고 있다.

* 카르노순환 : 내연기관 등의 열기관에서 나타나는 열역학적 에너지 순환과정이다. 이러한 기관에서는 효율의 상한이 정해져있어서, 높은 효율을 얻는 것에 제약이 존재한다.

∘ 일반적으로 작동온도가 상승함에 따라 연료전지 전력생산 성능이 향상되어야 한다. 하지만 온도 상승에도 불구하고 종종 성능저하가 관찰되었었고, 이에 따라 성능저하 극복이 석탄전지 운전에 있어서 해결해야할 과제로 남아 있었다.

□  연구팀은 그동안 석탄전지 실용화의 가장 큰 걸림돌이었던 성능저하 원인을 밝히는 데 성공하였다. 아울러 탄소연료 물성*과 석탄전지 성능의 상관관계를 규명하였으며, 더 나아가 성능 최적화 방안을 제시하였다.

* 물성 : 물질이 가지고 있는 성질. 본 연구에서는 탄소연료의 다양한 물리․화학적 특성 중에서 비표면적과 결정도를 특히 주목하였다.

∘  탄소연료의 반응기 내부 가스화*의 정도에 따라 탄소연료전지 성능이 결정됨을 확인하였다. 내부 가스화가 과도할 경우 전극 표면의 탄소 증착으로 인해 성능이 감소하였다. 내부 가스화가 부족할 경우 전극 자체가 열화(劣化)되어 성능이 감소하였다.

* 가스화 : 고체 또는 액체 상태의 물질을 기체로 만드는 공정.

∘  내부 가스화의 정도는 탄소연료가 높은 비표면적 혹은 낮은 결정도를 가질 때 증가함을 관찰하였다. 따라서 연구팀은 최적의 성능을 얻어낼 수 있는 탄소연료의 조건을 확인하였다.

∘  연구팀은 석탄전지 성능저하의 두 가지 원인에 대한 각각의 극복 방안을 제시하였다. 탄소 증착으로 인해 성능이 감소하였을 경우 전기부하(electric load) 조절로써 이온의 이동을 촉진하여 성능을 최적화할 수 있다. 전극 열화로 성능이 감소하였을 경우 전극으로 공급되는 산소의 양을 제어하여 성능을 최적화할 수 있다. (연구결과개요 참조)

□  이재영 교수는 “이번 성과는 석탄전지 운전에 적합한 연료 규격을 제시함으로써 본 기술을 활용한 전력생산 실용화에 기여할 것으로 생각한다”며 “이를 토대로 본 기술의 성능저하 해결방안을 제시함으로써 운전 효율을 극대화하여 안정적 전력생산에 일조할 것으로 기대한다”고 말했다.

□  이재영 교수 연구팀의 연구는 광주과학기술원 차세대 에너지 분야 원천 기술 개발의 지원으로 수행되었고, 화학공학 분야의 세계적인 학술지인 Chemical Engineering Journal 2017년 6월 27일자 온라인판에 게재되었다. <끝>

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

- 논문명 : Origin of peculiar electrochemical phenomena in direct carbon fuel cells (https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.127).

- 저자 정보 : 이재영 교수(교신저자, 광주과학기술원), 장한샘 박사과정생(제1저자, 광주과학기술원)

                                                           <석탄전지의 성능저하 원인을 보여주는 모식도>