수소전기차의 ‘엔진’에 비유되는 수소연료전지의 수명을 3배 늘릴 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 기존 연료전지는 교체주기가 짧아 수백만~수천만 원의 비용 발생이 불가피하지만 이 기술이 상용화되면 연료전지 수명이 길어져 수소전기차의 경제성이 높아진다.
한국과학기술연구원(KIST) 김진영·김종민 박사와 한국과학기술원(KAIST) 정연식 교수는 연료전지 부식 문제를 극복할 수 있는 기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 이 기술의 핵심은 부식의 원인인 탄소를 전혀 쓰지 않고 초미세 인쇄공정으로 구현한 백금 나노구조 전극 촉매다.
현재 연료전지의 촉매는 2~5나노미터(㎚·10억 분의 1m) 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화시켜 놓은 형태다. 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질로 인해 안정적이지 못하기 때문이다. 백금만으로는 촉매 소재로 활용할 수 없어 탄소를 사용하지만 탄소 입자는 연료전지를 구동하는 과정에서 부식되면서 점차 소실된다. 탄소가 백금을 지탱하지 못하게 되면 성능이 떨어져 탄소 입자가 연료전지 수명 단축에 치명적인 셈이다.
새로 개발한 전극을 사용할 경우 현재 촉매보다 내구성이 3배 이상 향상되고 연료전지 출력은 약 27%나 높아진다는 게 연구진의 설명이다. 연구진은 “탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯이 간단한 인쇄를 여러 번 반복해 20㎚급의 안정적인 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발했다”고 밝혔다.
이런 공정을 거쳐 개발한 백금 촉매는 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서 산소나 수소, 물의 이동이 원활하고 두께 역시 기존의 10분의 1 이하로 얇아지게 된다. 김진영 박사는 “초미세 인쇄기술로 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다”고 설명했다. 정연식 교수는 “연료전지뿐 아니라 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원했고, 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ 최신 호에 게재됐다.