[기계신문] 연료전지는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 전기화학 반응에 의한 전기 생성 및 물만을 배출하는 차세대 친환경 에너지 변환 장치로 각광받고 있다. 이 중 알칼라인 연료전지는 1960년대 아폴로 우주선에 이용되는 것을 포함하여 산업 및 학술 분야에서 현재 고분자 전해질 연료전지를 대체하기 위해 연구가 활발히 진행되고 있다.

알칼라인 연료전지는 알칼라인 조건에서 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치로서, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하는 친환경 에너지원이다.

핵심 소재인 촉매, 막, 이오노머의 현재 직면하고 있는 기술적 한계를 극복할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있으며, 촉매의 주요 기술적 한계로는 백금에 치우친 소재의 한계성, 내구성 및 경제성에 집중되어 있다. 기존 연구들은 대부분 상용화된 소재로는 가장 우수한 활성을 보이는 백금과 전이금속을 합금화한 나노 촉매가 일반적이다.

▲ 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 충남대학교 정남기 교수와의 공동연구를 통해 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체하는 저가형 촉매를 개발했다. 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Energy & Environmental Science’ 최신호에 표지논문(Back Cover, 사진)으로 게재되었다.

이를 통해 백금의 사용량을 저감시키고, 활성 증대를 목표로 하고 있다. 하지만 백금 소재에 대한 내구성 및 경제성이 한계점을 보임에 따라 대체 후보 촉매군 개발에 대한 연구, 특히 탄소계 촉매에 대한 연구들이 활발하게 진행 중이지만 상용화에 가까운 소재들은 극히 제한적인 것으로 인식되어 왔다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 유성종 박사팀은 충남대학교 정남기 교수와의 공동연구를 통해, 최근 차세대 연료전지로 각광받고 있는 알칼라인 연료전지에 사용되는 고가의 촉매인 백금을 대체하여 적용 가능한 저가형 촉매를 개발했다.

연료전지의 전극에서는 전지의 효율을 결정하는 핵심적인 반응인 산소환원반응이 발생하는데, 이는 반응 속도가 느리고 전지의 효율을 높이기 어렵게 하는 주 원인이다. 기존 알칼라인 연료전지는 이러한 산소환원반응에 전기화학적 활성이 우수한 백금 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다.

KIST-충남대 공동연구팀은 최근 연구를 통해 고가의 백금계 촉매를 대체 가능한 탄소계 촉매를 개발하고 연료전지 성능 및 내구성을 향상시키는데 성공했다.

▲ 탄소계 코어쉘 구조 나노 촉매 연구 개념 모식도. (a) 코어쉘 구조에 따른 그래핀 표면 일함수 변화 (b) 개발된 촉매의 3차원 구조 그래핀 쉘 형성에 따른 반응 면적 변화

코발트 재질의 코어에 그래핀 구조의 탄소 껍질을 갖는 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 촉매를 개발하여 경제성을 비롯한 성능 및 내구성이 우수한 촉매를 개발하였다. 연구팀은 코어-쉘 구조를 통해 반응면적을 극대화하여 상용 백금 촉매와 유사한 구조의 전극을 형성하였고, 이를 통해 우수한 연료전지 성능을 구현해냈다.

연구팀은 코발트 금속 상에 그래핀 껍질을 형성할 경우, 산소환원반응에 유리한 그래핀 표면 전자구조를 유도한다는 사실을 실험적으로 밝혀냈고, 분석을 통해 그래핀 표면에서 반응이 발생한다는 사실을 규명하였다.

또한, 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극이 기존 탄소계 소재에 비해 3배 이상 얇음에도 불구하고, 상용 백금계 소재와 유사한 연료전지 성능을 구현할 수 있게 만들어 비백금계 촉매의 상용화 시기를 앞당길 수 있음을 입증했다.

▲ (a) 코발트 코어-그래핀 쉘 구조 나노 촉매 합성 방법 및 실제 형상 (b) 알칼라인 연료전지 구동 시 성능 결과

KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 알칼라인 연료전지의 상용화를 위한 핵심 소재 개발 연구가 활발한 가운데, 명확하지 않았던 산소환원반응이 발생하는 활성점에 대한 규명과 실제 연료전지 구동에 핵심인 전극 구성에 대한 관점을 포함한 새로운 개발 방향에 대한 가능성을 볼 수 있었다”고 설명했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 KIST 기관고유사업과 기후변화대응기술개발사업, 글로벌프론티어 멀티스케일에너지시스템 연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Energy & Environmental Science’ 최신호에 표지논문(Back Cover)으로 게재되었다.

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