수소연료전지 성능·내구성 성능 4배 ‘UP’…상온서 촉매 합성

KIST, 초음파 활용한 촉매기술 개발
상온서 제작...돔 형태 구조로 촉매 손실 줄여

KIST 연구진이 개발한 백금과 니켈 기반의 촉매 기술 개념도. KIST 제공

차세대 친환경 에너지 기술로 주목받는 수소연료전지의 성능과 내구성을 4배 가량 높일 수 있는 백금과 니켈 기반의 새로운 촉매 기술이 나왔다. 앞으로 트럭, 버스, 선박, 발전소 등 대형 연료전지 시스템의 유지관리 비용을 줄여 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 유성종 박사 연구팀이 천동원 포스텍 교수, 양용수 KAIST 교수, 진하늘 동국대 교수 연구팀과 공동으로 고성능·고내구성 수소연료전지 촉매를 상온에서 쉽게 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

수소연료전지는 온실가스를 배출하지 않고 높은 효율로 전기를 생산할 수 있다. 하지만 장시간 운전 시 성능이 떨어지고, 촉매 교체에 따른 유지비용이 높은 문제가 있다. 수소연료전지의 핵심 부품인 촉매는 시간이 지나면서 금속 성분이 녹아 내리거나 입자가 뭉쳐 반응 효율이 떨어지 때문이다.

기존 촉매는 600도 이상의 고온에서 복잡한 공정을 거쳐야 하는데, 연구팀은 상온에서 초음파를 이용해 금속 원자가 자연스럽게 정렬되도록 유도하는 방식으로 제조 공정을 단순화하고, 생산 비용을 줄였다. 개발된 촉매는 반응 면적을 넓히고 촉매 손실을 줄이기 위해 내부가 비어 있는 돔 형태의 구조로 설계됐다.

이 촉매는 실험실 수준의 성능 검증에서 기존 상용 촉매보다 질량 활성도는 약 7배, 연료전지 구동 시험에서는 반응 효율은 5배 향상됐다. 질량 활성도는 백금 1g당 생성할 수 있는 전기 반응량이다. 내구성 평가에서도 약 4만2000시간 이상 안정적인 운전이 가능하는 결과를 보여 상용 촉매 대비 수명이 약 4.2배 긴 것으로 나타났다고 연구팀은 설명했다.

유성종 KIST 박사는 “개발한 촉매는 돔형 구조와 정밀한 원자 배열을 통해 기존보다 성능과 내구성이 크게 향상됐다”며 “상온에서 합성할 수 있어 수소연료전지 상업화와 탄소중립 실현에 기여할 것”이라고 말했다.

이 연구결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(지난 5월 6일자)’ 온라인 표지논문으로 게재됐다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr