수소車 연료전지 부식문제 해결한 신기술

철골구조와 비슷한 형태의 멀티스케일 백금 나노 아키텍처 전극 모식도 <자료:KIST>

정연식 KAIST 교수

김진영 KIST 책임연구원

기존 상용 촉매전극과 멀티스케일 백금 나노아키텍처 전극의 성능 비교 및 열화테스트 후 최대전력밀도 유지율 <자료:KIST>

수소연료전지는 수소전기차에서 엔진 역할을 하지만 핵심 구성요소인 백금 촉매를 지지하는 탄소 입자가 쉽게 부식돼 수명이 길지 않다는 문제가 있다. 부식된 연료전지는 교체해야 하는데 수백~수천만 원을 호가해 부담이 클 수밖에 없다. 국내 연구진이 이 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 정연식 KAIST 교수와의 공동연구를 통해, 도장 찍듯이 간단한 초미세 인쇄기술을 활용해 탄소를 쓰지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 밝혔다.

수소연료전지의 촉매로 쓰이는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정성이 떨어지다 보니 자체만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5㎚ 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화해 놓은 형태다. 하지만 탄소 입자는 연료전지 구동 과정에서 부식으로 소실돼 백금을 지탱하지 못하고, 결과적으로 성능과 수명 감소로 이어진다. 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지의 효율도 좋지 못했다.

연구진은 도장을 찍듯이 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복해 20㎚급의 안정적인 백금 구조물을 적층하는 공정을 개발했다. 이 공정으로 개발한 전극은 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 내부에서 산소, 수소, 물의 이동이 원활하고, 기존의 10분의 1 이하로 두께가 얇아질 수 있다.

이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐다. 고분자전해질 연료전지에 적용해 테스트한 결과 기존 상용 촉매전극보다 내구성은 3배 이상, 연료전지 출력은 27%가량 향상되는 결과를 얻었다. 5000회 반복 구동 시 상용 촉매전극은 성능이 72% 낮아지지만 이 전극은 18%만 저하됐다.

김진영 KIST 박사는 "이 촉매는 전극의 내구성과 성능을 크게 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있게 됐다"고 말했다.

정연식 KAIST 교수는 "연료전지뿐 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용이 기대된다"고 밝혔다. 이 연구에는 연료전지 계산전문가인 주현철 인하대 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체 거동 시뮬레이션 분석을 담당했다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요 사업, 기후변화대응사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행됐다. 연구결과는 국제 과학저널인 '사이언스 어드밴스' 최신 호에 게재됐다. 안경애기자 naturean@