[투데이에너지 유정근 기자] 한국과학기술연구원(원장 윤석진, KIST)가 수소전기차에서 엔진과 같은 역할을 하는 수소연료전지의 부식 문제를 극복할 수 있는 기술 개발에 성공했다.
김진영 KIST 수소연료전지연구센터 박사와 김종민 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 정연식 한국과학기술원(총장 이광형, KAIST) 교수와의 공동연구를 통해 간단한 20nm급 초미세 인쇄 기술을 활용해 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다.
수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정적이지 못해 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화 시켜 놓은 것이다. 하지만 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식으로 인해 소실돼 백금을 지탱하지 못하며 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 문제를 일으킨다. 또한 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복합해 연료전지의 효율 또한 좋지 못했다.
연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복해 20nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발했다. 이 공정을 통해 개발한 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌고 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있다. 이에 따라 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐으며 해당 전극을 사용할 경우 기존 상용 촉매전극보다 내구성이 3배 이상 향상됐으며 연료전지 출력 또한 27% 가량 향상됐다.
김진영 KIST 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다”고 말했다.
정연식 KAIST 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용분야에서의 활용을 기대한다”고 밝혔다.
한편 이번 연구에는 연료전지 계산전문가인 주현철 인하대학교 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체의 거동에 대한 시뮬레이션 분석 역할을 담당했다.