국내 연구진, 연료전지 성능 혁명 꾀한다

IBS, 수소전기차 비싼 백금 촉매 대체할 나노촉매 개발

UNIST, 고체산화물 연료전지의 연료극 물질 성능 강화

수소전기차의 비싼 백금 촉매를 대체할 IBS의 탄소 기반 나노촉매를 다룬 미국화학회지 표지. /사진=IBS

국내 연구진이 수소같은 연료와 산소를 반응시켜 전기를 만드는 연료전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단은 수소자동차 연료전지 촉매 가격을 10분의 1로 줄이며 안정성을 높일 수 있는 탄소 기반 나노 촉매를 개발했다고 11일 밝혔다. 친환경적인 연료전지는 에너지 변환 효율이 70％ 안팎으로 높지만 촉매인 백금이 1㎏당 1억원 이상으로 비싸다.

서로 다른 다공성 구조를 가진 비 귀금속 연료전지 촉매. /사진=IBS

연구팀은 크기가 서로 다른 기공(구멍)이 숭숭 뚫린 ‘계층적 다공 나노구조’를 도입했다. 새로운 촉매는 지름이 마이크로(2㎚ 미만)·메조(2∼50㎚)·마크로(50㎚ 초과) 크기의 3종류이다. 이 촉매를 연료전지에 적용한 결과 다양한 구동 환경에서 성능이 일관되게 향상됐고 1만회 이상 움직여도 활성 저하 없이 안정적인 성능을 유지했다.

현택환 IBS 나노입자 연구단장(왼쪽)과 성영은 부연구단장/ 사진=IBS

IBS 나노입자 연구단 이수홍(왼쪽부터)·김지헌·정동영 연구원. /사진=IBS

성영은 IBS 나노입자연구단 부연구단장은 “연료전지 가격의 40％가량은 백금 촉매가 차지한다”며 “수소연료전지 자동차 산업 발전에도 이바지할 수 있을 것”이라고 기대했다.

울산과학기술원(UNIST) 김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 ‘이온 위치 교환’ 현상을 활용해 고체산화물 연료전지에서 연료극 물질의 안정성과 성능을 강화할 방법을 개발했다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때 외부에서 넣어준 이온과 연료극 물질 안에 있는 이온이 서로 자리를 바꾸게 만들었다.



고체산화물 연료전지의 연료극에는 주로 세라믹스와 금속의 합금인 니켈 서멧 소재가 쓰였으나 오래 작동하면 안정성이 떨어졌다.

코발트(파란색)가 표면에 올라와 효율을 높이는 현상(윗쪽), 외부에서 철(빨간색)을 추가해 코발트와 자리를 교체하면서 효율을 더 높이는 모습(아랫쪽). /사진=UNIST

이에 따라 연구팀은 코발트(Co)를 표면으로 더 잘 올라오게 만드는 법을 찾았다. 고체산화물 연료전지가 작동할 때 철(Fe)을 넣어 코발트와 자리를 바꾸게 만든 것이다.

김 교수는 “고체산화물 연료전지에 다양한 연료를 적용해 안정적으로 전기를 생산하려면 연료극의 성능과 안정성이 뒷받침돼야 한다”며 “두 가지 모두 만족하는 연료극 물질을 개발한 이번 연구는 연료전지 상용화에 기여할 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 정후영 UNIST 교수, 한정우 포스텍 교수, 신지영 숙명여대 교수, 시바프라카시 생고단 영국 임페리얼칼리지런던 교수도 함께 했다. 연구는 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판에 실렸다. /고광본 선임기자 [e-mail]

고체산화물 연료극 물질의 안정성과 성능을 높인 UNIST의 김선아(왼쪽부터) 연구원, 김현민 연구원, 권오훈 연구원, 김건태 교수, 주상욱 연구원. /사진=UNIST