수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전장치인 수소연료전지는 수소전기차에서는 엔진과 같은 역할을 합니다. 그러나 연료전지의 핵심 구성요소인 백금 촉매를 지지하기 위해 사용되는 탄소 입자가 쉽게 부식되어 연료전지의 수명이 길지 않다는 문제가 있습니. 부식된 연료전지는 새로이 교체가 필요한데, 수백~수천만 원을 호가하는 연료전지 교체 비용은 차주로서는 부담스러울 수 밖에 없습니다.
국내 연구진이 이러한 문제를 해결해 수소연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했습니다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 한국과학기술원 정연식 교수와의 공동연구를 통해 도장 찍듯이 간단한 20nm급 초미세 인쇄 기술을 활용하여 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 밝혔습니다.
수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정적이지 못해 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없습니다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5 nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화 시켜 놓은 것입니다. 하지만 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식으로 인해 소실되어 백금을 지탱하지 못하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 문제를 일으킵니다. 또한 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지의 효율 또한 좋지 못했습니다.
연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯이 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복하여 20 nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발했습니다. 이 공정을 통해 개발한 전극은 철골 건축물과 닮아 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌고, 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있습니다. 이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐으며, 해당 전극을 사용할 경우 기존 상용 촉매전극보다 내구성이 3배 이상 향상 됐을 뿐만 아니라 연료전지 출력 또한 27%가량 향상되는 결과를 얻었습니다.
KIST 김진영 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다.”라고 말했습니다. 공동연구를 수행한 KAIST 정연식 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다.”고 밝혔습니다. 한편, 본 연구에는 연료전지 계산전문가인 인하대학교 주현철 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체의 거동에 대한 시뮬레이션 분석 역할을 담당했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 기후변화대응사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 14.136, JCR 분야 상위 6.164%) 최신 호에 게재되었습니다.
논문명 : Conformation-Modulated Three Dimensional Electrocatalysts for High Performance Fuel Cell Electrodes
#연구결과 개요
1. 연구배경
수소연료전지는 수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 발전장치로 공해와 소음이 없으므로 미래 수소에너지 사회의 친환경 발전 기술로 많은 주목을 받고 있다. 그러나 수소연료전지는 많은 양의 백금 촉매를 필요로 하므로, 높은 비용이 요구되며, 탄소 담지체의 부식으로 인한 낮은 촉매 내구성 문제로 연료전지 전극의 제조단가와 내구성 측면에서 한계점을 가지고 있다.
일반적으로 연료전지 상용 촉매 (Pt/C)는 2-5nm 크기의 매우 작은 백금 나노입자가 탄소 담지체 위에 담지되어 있는데, 촉매 내 탄소 담지체는 반복 사용 시 쉽게 부서져 연료전지의 성능을 떨어뜨리는 내구성 문제가 있으며, 전극 제작 시 전극구조 측면에서 두껍고 무작위한 물질이동경로를 가지고 있어 연료전지 성능을 떨어뜨리는 문제를 가지고 있었다.
2. 연구내용
본 연구에서는 탄소 담지체가 없으면서도 백금 전극의 성능을 극대화할 수 있는 최적의 구조를 구현하기 위해 3차원 구조 제어가 쉬운 초미세 (20 nm급) 나노 인쇄공정을 최초로 도입하였고, 연료전지 내에 물질의 원활한 이동을 위한 높은 기공도와 더불어 높은 촉매 표면적을 동시에 확보할 수 있는 멀티스케일 백금 나노 아키텍처 형태의 촉매 전극을 구현하였다.
멀티스케일 백금 나노 아키텍처 촉매 전극을 고분자전해질 연료전지에 적용하여 테스트한 결과, 기존 상용 촉매 (Pt/C)에 비해 최대 출력밀도가 27% 향상되었으며, 열화 가속 수명 테스트 후에도 상용 촉매 전극의 경우 72% 성능 감소하는 반면, 멀티스케일 백금 나노 아키텍처 촉매 전극은 18%만 감소하는 우수한 내구성을 보였다.
본 연구에서는 롤투롤 인쇄공정을 통해 넓은 면적의 (18cm x 11cm) 나노 인쇄공정을 구현하여 실제 양산 가능성을 입증하였으며, 백금 이외에도 다양한 소재 (구리, 니켈, 크롬, 금, 은, 이리듐, 주석산화물 등등)의 나노 아키텍처 전극 구조가 가능함을 보여, 다양한 분야의 응용 가능성을 보여주었다.
3. 기대효과
본 연구는 기존의 연료전지 촉매 전극의 제조방식에서 벗어나 최초로 20 nm급 고해상도 나노 인쇄공정을 도입하여 전극의 구조를 정밀하게 제어하여 성능과 내구성을 향상시킨 사례이다. 차후 수소연료전지 이외에도 다양한 전기화학 분야 (전기화학 촉매, 배터리, 화학 센서 등)에서도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
#용어설명
1. 고분자 전해질 연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell)
- 수소 양이온의 이동으로 산 조건에서 산소와 수소의 반응으로 물과 전기가 생산되는 장치 (1/2O2 + H2 → H2O + electricity)
2. 나노 인쇄공정 (Nanotransfer printing)
- 나노 소재를 원하는 기판에 전사하는 공정으로써 도장 찍듯이 간단하게 나노구조물을 형성할 수 있다.
