부식으로 줄어드는 수소연료전지 내구성 3배 높였다

김진영 KIST 책임연구원. KIST 제공.

수소를 이용해 전기에너지를 만드는 수소 연료전지는 수소전기차에서 엔진과 같다. 그러나 연료전지의 핵심 구성요소인 백금 촉매에 사용되는 탄소 입자가 쉽게 부식돼 연료전지 수명이 길지 않다는 문제가 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 김진영 수소·연료전지연구센터 책임연구원과 김종민 물질구조제어연구센터 선임연구원 연구팀이 정연식 KAIST 교수와의 공동연구를 통해 20나노미터(nm, 10억분의 1미터)급 초미세 인쇄 기술을 이용해 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 8일 밝혔다. 

현재 상용화된 백금 촉매는 2~5nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화시켜 활용한다. 탄소 입자는 연료전지의 구동 과정에서 부식으로 소실돼 백금을 지탱하지 못한다. 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 것이다. 전극 두께도 수 마이크로미터(㎛, 100만분의 1미터)로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지 효율도 좋지 않다. 

연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 20nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발했다. 이 공정을 통해 개발한 전극은 구조물 사이에 통로가 넓어 연료전지 내부에서 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌다. 전극의 두께도 기존보다 10분의 1 이하로 줄였고 내구성은 3배, 연료전지의 출력은 27% 높였다. 

김진영 책임연구원은 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다”라고 말했다. 연구결과는 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 최신호에 게재됐다. 
 

[김민수 기자 reborn@donga.com]