[월간수소경제 편집부] 미국 아이다호국립연구소가 고체탄소로 작동되는 새로운 연료전지 기술을 개발했다.

지난 22일 Advantage Business Media에 따르면 아이다호국립연구소(INL)는 새로운 논문에서 고체탄소로 작동하는 연료전지 기술이 발전하면 석탄이나 바이오매스와 같은 자원으로부터 더 깨끗하고 효율적으로 전기를 생산할 수 있다고 밝혔다.

이 연료전지 디자인은 양극, 전해질, 연료 등 3가지 구성요소의 혁신을 담고 있으며, 기존의  직접 탄소 연료전지(DCFC) 디자인에 비해 약 3배 더 많은 탄소를 활용할 수 있다.

INL의 엔지니어인 동 딩(Dong Ding)은 “이 연료전지는 기존의 DCFC보다 더 낮은 온도에서 더 높은 최대출력밀도로 작동한다”고 전했다.

이러한 연구결과는 최근 어드밴스드 매터리얼지(the journal of Advanced Materials)에 실렸다.

수소연료전지(예를 들어 양이온 교환막(PEM) 등 다른 연료전지)가 순도 높은 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 반면 DCFC는 석탄, 코크, 타르, 바이오매스, 유기폐기물과 같은 수많은 탄소 기반의 연료자원을 이용할 수 있다.

DCFC는 접근성이 뛰어난 연료를 사용할 수 있기 때문에 기존의 수소연료전지에 비해 잠재적으로 더욱 효율적일 수 있다.

하지만 초기 DCFC 디자인은 몇 가지 문제점을 안고 있었다. 섭씨 700~900도의 고온이 필요하다는 점은 낮은 효율과 내구성의 원인이 됐다. 이러한 높은 온도는 더 나아가 열을 다룰 수 있는 비싼 재료를 사용할 수밖에 없게 만들었다.

또한 기존의 DCFC 디자인은 탄소연료를 효과적으로 사용하지 못했다.

딩과 그의 동료들은 섭씨 600도 이하의 낮은 온도에서 작동할 수 있는 진정한 직접 탄소 연료전지를 설계함으로써 이러한 문제점들을 해결했다. 이 연료전지는 곱게 갈려서 기류를 통해 셀 내부로 주입되는 고체탄소를 사용해 만들어진다.

연구진은 강력한 전도성 재료인 도핑된 산화세륨과 탄산염을 이용해 전해질을 개발, 고온 문제를 해결했다. 이러한 재료들은 더 낮은 온도에서도 성능을 유지한다.

다음으로 연구진은 섬유다발을 옷처럼 엮어낸 3-D 세라믹 직물형 양극 디자인을 개발해  탄소 사용량을 증가시켰다. 섬유 자체는 속이 텅 비어 있고 구멍이 많다. 이러한 형태들이 결합돼 탄소연료와의 화학반응이 일어날 수 있는 표면적의 양을 극대화시켰다.

마침내 연구진은 고체탄소와 탄산염으로 이뤄진 복합연료전지를 개발했다. 딩은 “작동온도에서 복합체는 마치 유체 같아서 활성점에 쉽게 흘러 들어갈 수 있다”고 말했다.

용해된 탄산염은 고체탄소를 유공섬유와 양극의 핀홀로 운반해 연료전지의 전력밀도를 증가시킨다.

이 연료전지는 판지 한 장 정도 두께의 녹색 세라믹 시계 배터리처럼 보인다. 더 큰 정사각형 연료전지는 각 변이 10cm이며 용도에 따라 위로 쌓아 올릴 수 있게 돼 있다.

딩은 “이 기술은 직접 탄소 연료전지가 석탄이나 바이오매스와 같은 탄소연료의 활용을 높일 수 있다”면서 “석탄화력발전소로부터 나오는 매연에 섞여있는 이산화탄소와는 달리 직접 이산화탄소를 생성하기 때문에 탄소포집기술을 더욱 용이하게 구축할 수 있게 해준다”고 설명했다.

진보된 DCFC 디자인은 이미 업계에서 주목 받고 있다. 딩과 연구진은 솔트레이크시티에 있는 스토레제너지사(Storagenergy, Inc.)와 파트너십을 맺고 에너지부의 중소기업 혁신연구(Small Business Innovation Research: SBIR)-중소기업 기술이전(Small Business Technology Transfer: STTR) 자금 제공 기회에 도전하며, 그 결과는 올해 2월 중에 발표된다. 캐나다의 에너지 관련 업체 또한 이 DCFC 기술에 관심을 보이고 있다.