KIST, 내구성 높은 고성능·저가형 연료전지 촉매 개발 성공

 국내 연구진이 수소연료전지 생산에 들어가는 백금의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 원천기술을 개발해 높은 가격으로 인해 대량 생산이 어려웠던 수소연료전지의 상용화에 청신호가 켜졌다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 황승준 연구원, 유성종 박사, 김수길 박사는 미래융합기술연구본부 전자재료연구센터 이승철 박사팀과의 공동연구를 통해 원자수준의 백금 코팅 기술을 사용하여 연료전지에서 백금의 양을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 

이번 연구를 활용하여 수소 연료전지 자동차에 들어가는 백금을 백금코팅 촉매로 바꾸면 기존에 약 70g이 소요되었던 백금의 양을 20g 수준으로 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 이번 연구성과는 국내 독자적 원천기술 확보 뿐만 아니라 연료전지 대중화의 토대가 되는 획기적인 성과로 본 연구성과는 지난 2월 19일, 세계적인 권위를 자랑하는 Nature의 온라인 자매지인 ‘Scientific Reports’ 에 게재되었다. 

최근 현대자동차가 세계 최초로 수소 연료전지 자동차의 양산 계획을 발표하면서 수소를 사용하는 차세대 연료전지 기술이 주목받고 있다. 친환경 자동차인 수소 연료전지 자동차는 수소와 산소를 이용, 전기를 생산해 연료전지를 내연기관 엔진대신 사용하여 유해가스 배출과 소음을 획기적으로 줄일 수 있다. 하지만 대당 2억 원이 넘는 가격이 대중화의 걸림돌이었다. 연료전지 가격이 수소 연료전지 자동차 값의 절반을 넘게 차지하는 탓이다. 현재 기술 수준으로 중형급 수소 연료전지 자동차 한대에 들어가는 백금은 70g가량인데, 백금 시세를 감안하면 연료전지 내 촉매의 가격만 1000만원에 달하는 셈이다. 게다가 백금이 장시간 운전 중에 용해되어 연료전지 성능을 저하시키는 현상 또한 큰 과제로 남겨져있었다. 

지금까지 백금의 고비용 문제를 해결하기 위한 연구는 주로 백금 자체의 활성을 증가시키거나, 백금과 전이금속 합금 형태의 전극촉매를 개발하는 것이었다. 최근에는 높은 전기화학적 활성 및 안정성으로 인해 원자수준의 백금 코팅 기술인 ‘코어-쉘’ 구조의 전극촉매에 대한 관심이 높아지고 있다. 

현재는 균일한 코팅 층을 형성하기 위해서 원자수준의 백금을 코팅할 때 안정제나 분산제 등을 사용하고 있다. 하지만 이러한 안정제나 분산제는 촉매의 반응성에 악영향을 주며, 핵심 입자의 표면에 백금 코팅 층을 형성할 때 방해가 되기 때문에 화학적 처리나 열처리를 통한 제거가 필요하다. 이러한 화학적 처리나 열처리 과정에서 핵심 입자가 응집되거나 형태가 망가질 수 있고, 백금 코팅 층의 경우에도 입자의 응집이 일어나거나 코팅 층의 붕괴가 발생할 수 있어 전극촉매의 활성이 떨어지는 문제가 발생한다. 

이번에 연구팀이 개발한 기술을 사용하면, 원자수준의 백금을 코팅하는 과정에서 코팅 층이 형성된 후 안정제의 제거를 위해 행해지던 열처리 또는 화학적 처리공정이 필요 없게 된다. 이를 통해 새롭게 제시된 전극촉매는 연료전지의 음극, 양극 전극 모두에 이용될 수 있으며, 촉매의 활성도와 내구성이 뛰어나며 우수한 전기화학적 특성을 보이는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서 개발한 촉매합성을 위한 기술은 향후 성능이 더 우수한 촉매를 설계하는데 크게 응용될 수 있을 것으로 예상된다. 

KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 친환경 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다” 며, 최근 전력공급 부족에 의한 블랙아웃을 대비한 가정용 발전기 등의 비상발전용 기술로도 활용 가능성이 높다” 라고 말했다. 

금번 연구는 촉매합성과 설계부문으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구는 KIST 연료전지연구센터에서 주도하여 지경부 신재생에너지 사업의 원천기술개발과제, 기초기술연구회 협동연구과제 및 KIST 기관고유 사업을 통해 수행되었고, 촉매설계연구는 KIST 전자재료연구센터의 주도로 미래부 원천기술개발사업인 나노소재기술개발사업을 통해 수행되었다.