연료전지 백금 촉매 대체재 개발...가격 10분의 1로 낮춰 수소차 활성화 길터

조선비즈
  • 김태환 기자
    입력 2019.02.11 15:03

    수소 자동차에 사용하는 연료전지의 가격은 낮추고 성능은 향상시킬 수 있는 새로운 촉매가 나왔다.

    11일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 이 연구원 소속 나노입자 연구단 연구팀은 최근 수소자동차에 사용하는 연료전지 촉매 가격을 10분의 1로 줄이는 새로운 촉매 개발에 성공했다.

    전기화학적 활성 표면을 넓히는 다공성 나노 입자. /기초과학연구원 제공
    수소자동차 연료전지는 촉매를 이용해 수소 등의 연료와 산소를 반응시켜 전기를 생산하는 동력원이다. 에너지 변환 효율은 약 70% 수준으로 연료 사용 시 물만 발생해 친환경 수단으로 꼽힌다.

    그러나 기존 연료전지는 수소와 산소간 화학 반응을 위한 촉매로 백금을 사용해 실제 상용화에 한계가 있다. 백금이 1킬로그램(kg) 당 약 1억원 이상의 가격을 형성하고 있는데다 사용할수록 전기 생산 성능이 급격히 저하되는 문제를 갖고 있기 때문이다.

    연구팀은 새로운 구조의 탄소 기반 나노 촉매를 개발해 이같은 문제를 해결했다. 이 나노 촉매는 크기가 다른 구멍이 뚫린 구조로 촉매 반응을 활성화하는 것이 특징이다.

    나노 촉매의 구멍은 총 3가지 종류로 직경에 따라 ‘마이크로 기공(<2nm)’, ‘메조 기공(2~50nm)’, ‘마크로 기공(>50nm)’으로 나뉜다. 이 중 메조 기공은 촉매의 표면적을 넓히고, 마크로 기공은 산소 분자를 빠르게 촉매 활성점으로 옮겨 전지 성능을 높인다.

    실제 연구팀은 나노 촉매를 적용한 연료전지의 구동 성능을 분석해 일관된 성능 향상을 확인했다. 이 연료전지는 1만회 이상 구동 시에도 백금 기반 촉매 전지와 같은 활성화 저하 현상이 나타나지 않았다.

    이 나노 촉매를 사용하면 수소연료전지를 사용하는 수소자동차 발전과 다양한 전기화학 응용 장치의 효율을 높일 것으로 기대된다.

    성영은 기초과학연구원 부연구단장은 "현재 연료전지 가격의 40%를 차지하는 값비싼 백금 촉매 사용과 낮은 내구성 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다"며 "연료전지의 효율 극대화 가능성을 입증한 만큼 수소차 산업 발전에도 기여할 것"이라고 밝혔다.

    한편 이번 연구 성과는 지난 6일 화학분야 학회지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)에 실렸다.

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