수소車 핵심 ‘연료전지’…성능저하 막을 ‘신기술’ 나왔다

- KAIST-스탠포드대-로런스 버클리국립연구소 공동연구
- 고성능·고내구성 연료전지 촉매 설계 핵심 기반 기술

수소자동차.

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과 미국 공동연구진이 수소차 핵심 연료전지의 성능 저하문제를 해결할 수 있는 기술 개발에 성공했다.

KAIST는 물리학과 양용수 교수와 신소재공학과 조은애 교수 공동연구팀이 미국 스탠퍼드대학교, 로런스 버클리 국립연구소와의 국제 공동연구를 통해 연료전지 촉매 내부의 원자 하나하나가 수천 번의 작동 사이클 동안 어떻게 움직이고, 어떤 방식으로 성능이 저하되는지를 3차원으로 직접 추적하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

수소연료전지는 탄소배출이 없는 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 그러나 촉매로 사용되는 백금(Pt) 기반 합금은 주행 과정에서 성능이 점차 저하되는 ‘열화 현상’이 발생해 상용화의 걸림돌이 되어 왔다. 열화의 근본 원인을 규명하지 못하면 연료전지 교체 주기가 짧아지고 수소차 가격 인하에도 한계가 있었다.

KAIST 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해, 원자 하나하나의 3차원 움직임을 직접 볼 수 있는 인공신경망 기반 원자 전자 단층촬영 기법을 개발했다.

병원에서 사용하는 CT 단층촬영법이 여러 각도에서 X선 영상을 찍어 인체 내부를 3차원으로 보여주는 것과 마찬가지로, 연구팀은 전자현미경을 이용해 다양한 각도에서 고해상도 이미지를 촬영하고, 이를 인공지능 신경망과 결합해 나노 촉매 내부 원자들의 3차원 위치를 정밀하게 재구성했다.

그 결과, 수천 개에 달하는 원자들이 연료전지 작동 과정에서 어떻게 이동하고 변형되는지를 마치 눈으로 들여다보듯 생생하게 관찰할 수 있게 됐다.

연구팀은 백금-니켈(이하 PtNi) 합금 나노입자에 대해 수천 번의 전기화학적 작동을 가한 후, 각 단계에서 촉매 입자의 3차원 원자구조를 분석했다. 그 결과, 일반적인 PtNi 입자에서는 시간이 지남에 따라 입자 형태가 변형되고, 니켈이 빠져나가고, 제 기능을 점차 잃어버리는 현상이 나타났다.

갈륨(Ga) 도핑된 백금-니켈(PtNi) 촉매 나노입자의 3차원 원자 구조 및 촉매 활성 변화.[KAIST 제공]

반면 갈륨 원소를 조금 섞어준 촉매 입자에서는 이러한 변화가 거의 없어서 처음부터 성능도 더 뛰어나고, 오래 사용해도 성능을 잘 유지함을 입증했다. 이를 통해 연구팀은 촉매 안에 원자들이 시간이 지나면서 어떻게 변하는지 그리고 그 변화가 성능 저하와 어떤 관계가 있는지를 정량 데이터로 명확하게 규명했다.

양용수 교수는 “이번 연구는 실제 연료전지 촉매의 3차원 열화 과정을 원자 단위에서 정량적으로 추적한 세계 최초 사례로, 실험적으로 관측하기 어려웠던 실제 촉매 표면과 내부의 3차원 원자 구조 변화를 직접 측정했다는 점에서 이론 모델이나 시뮬레이션에 의존했던 기존 연구들과 차별점을 가진다”라고 강조했다.

이어 “고성능·고내구성 연료전지 촉매 설계의 핵심 기반이 될 것이며 또한 AI 기반 정밀 원자구조 분석 기술은 배터리 전극, 메모리 소자 등 다양한 나노소재 연구에도 폭넓게 활용될 것”이라고 전망했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.