KIST, 수소연료전지 상용화 앞장...복잡한 고온 공정 없이 촉매 성능·내구성 4배 높여

한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 고성능·고내구성 촉매를 상온에서 손쉽게 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

유성종 수소·연료전지연구단 박사팀이 천동원 포스텍 교수, 양용수 한국과학기술원(KAIST)교수, 진하늘 동국대 교수와 공동으로 이룬 성과다.

수소연료전지는 온실가스를 배출하지 않고 고효율로 전기를 생산할 수 있어 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받는다. 하지만 장시간 운전 시 성능이 떨어지고 촉매 교체에 따른 높은 유지비용으로 상용화에 한계가 있다. 시간이 지나면서 연료전지 핵심 부품인 촉매의 금속 성분이 녹아내리거나 입자가 뭉치며 반응 효율이 저하되기 때문이다. 성능·내구성을 유지하면서 생산 비용 부담이 적은 촉매 기술 개발이 중요 과제다.

개발 촉매는 백금·니켈을 정밀 배열한 나노입자로, 반응 면적을 넓히고 촉매 손실을 줄이기 위해 내부가 빈 돔 형태 구조로 설계됐다.

음파 가미 합성 매커니즘

기존 촉매는 600도 이상 고온에서 정밀 구조를 만들기 위해 복잡한 공정을 거쳐야 했는데, 개발 기술은 상온에서 초음파를 활용한 1단계 공정만으로도 정밀한 촉매 구조 형성이 가능하다.

안경 세척기와 유사한 방식의 초음파 장치를 활용해 금속 원자가 자연스럽게 정렬되도록 유도하는 방식을 적용했다. 이로써 제조 공정을 단순화하고 생산비용을 줄이면서도 촉매 성능·안정성을 동시에 확보할 수 있었다.

실험실 수준 성능 검증 결과 기존 상용 촉매보다 질량 활성도는 약 7배, 실제 연료전지 구동 시험에서는 반응 효율이 약 5배 향상됐다. 내구성 평가에서도 미국 에너지부(DOE) 기준에 따라 약 4만2000시간 이상 안정적인 운전이 가능하다는 결과를 얻었다. 현재 상용 촉매 대비 수명이 약 4.2배 향상된 것으로 나타났다. 트럭, 버스, 선박, 발전소 등 대형 연료전지 시스템에서 교체 주기를 줄이고 유지관리 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 기술이 상용화되면 수소연료전지 가격경쟁력을 크게 높일 수 있다. 현재 연구팀은 다양한 전이금속 조합으로 기술을 확장하고 있으며 자동차용 연료전지 스택 단위 평가와 실증 연구도 함께 진행 중이다.

유성종 박사는 “이번에 개발한 촉매는 돔형 구조와 정밀한 원자 배열을 통해 기존보다 성능과 내구성이 크게 향상됐다”며 “상온에서 합성할 수 있는 이 기술은 수소연료전지 상업화와 탄소중립 실현에 실질적으로 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구 결과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼즈'에 표지논문(Back Cover)으로 선정됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com