수소연료전지 촉매 상온서 합성 성공…초음파 만으로 성능 7배· 수명 4.2배↑

수소연료전지는 온실가스 배출 없이 고효율 전기 생산이 가능해 차세대 친환경 기술로 주목한다.

그러나 장시간 운전하면, 촉매 금속 성분이 녹거나 입자가 뭉쳐 반응 효율이 뚝 떨어진다. 촉매로는 백금을 주로 쓰는 데, 교체 비용도 만만치 않다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 수소·연료전지연구단 유성종 박사 연구팀이 POSTECH 천동원 교수, KAIST 양용수 교수, 동국대학교 진하늘 교수와 공동으로 고성능· 내구성 촉매를 상온에서 손쉽게 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

상온 및 상압에서 초음파로 합성한 Ni3Pt 나노합금 형성 메커니즘을 개략적으로 나타낸 그림.(일러스트레이션=KIST)

이응준 박사후연구원은 "수소연료전지는 전지 전체 비용의 60% 이상을 차지하는 백금계 촉매 내구성과 경제성 확보가 상용화 필수 요소"라며 "이번에 개발한 기술이 이를 충족한다"고 강조했다.

연구팀은 "이 촉매는 백금과 니켈을 정밀하게 배열한 나노입자"라며 "반응 면적을 넓히고 촉매 손실을 줄이기 위해 내부가 비어 있는 돔 형태 구조로 설계했다"고 설명했다.

기존 촉매는 600℃ 이상 고온에서 정밀한 구조를 만들기 위해 복잡한 공정을 거쳐야 한다. 하지만 이는 상온에서 초음파를 활용한 1단계 공정만으로도 촉매의 정밀한 구조 형성이 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다.

연구팀은 안경 세척기와 유사한 방식의 초음파 장치를 활용해 금속 원자가 자연스럽게 정렬되도록 유도했다.

이응준 박사후연구원은 "이를 통해 제조 공정을 단순화하고 생산비용을 줄이면서도 촉매 성능과 안정성을 동시에 확보할 수 있었다"고 부연설명했다.

실험실에서 성능을 검증한 결과, 이 촉매는 기존 상용 촉매보다 질량 활성도는 약 7배, 연료전지 구동 시험에서는 반응효율이 약 5배 향상된 것으로 나타났다.

내구성 평가에서는 미국 에너지부(DOE) 기준으로 약 4만2천 시간 이상 안정적인 운전이 가능하다는 결과를 얻었다.

KIST 유성종 책임연구원(왼쪽)과 이응준 박사후연구원.

산업계에서는 중·대형 수소연료전지 시스템 상용화를 위해서는 제조비용이 최소 kW당 60달러 이하, 수명은 3만 시간 이상은 충족해야할 것으로 보고 있다.

유성종 박사는 "현재 상용 촉매 대비 수명이 약 4.2배 향상된 것으로 나타났다"며 "트럭, 버스, 선박, 발전소 등 대형 연료전지 시스템에서 교체 주기를 줄이고 유지관리 비용을 절감할 수 있을 것"으로 기대했다.

연료전지 시스템에서 촉매는 전체 제조비의 약 30% 이상을 차지한다. 이 기술이 상용화되면 수소연료전지 가격경쟁력을 크게 높일 수 있다.

연구팀은 현재 다양한 전이금속(철, 니켈, 코발트 등) 조합으로 기술을 확장 중이다. 자동차용 연료전지 스택 단위 평가와 실증 연구도 진행 중이다.

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