▲ 20 nm 급 고해상도 나노인쇄공정과정 및 마스터몰드에 따른 백금 나노아키텍처 SEM 이미지

수소연료전지의 핵심 구성요소인 백금촉매의 부식을 해결해 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.

한국과학기술원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 정연식 교수와의 공동연구를 통해 20nm(나노미터)급 초미세 인쇄기술을 활용해 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 9일 밝혔다.

수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙어 불안정성을 띄기 때문에 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다.

이로 인해 현재 상용화된 촉매는 2~5nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화 시켜 놓은 것이다.

그러나 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식 및 소실돼, 백금을 지탱하지 못하고 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소했다. 또 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 비효율적이었다.

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 개발했다.

이 공정을 통해 개발한 전극은 철골 건축물처럼 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활하고, 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있다.

이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작 가능해졌다. 해당 전극을 사용할 경우 고분자전해질 연료전지에 적용하여 테스트한 결과, 기존 상용 촉매전극과 대비해 5,000회의 반복 구동 시 상용 촉매 전극의 경우 72% 성능 감소하는 모습을 보였다.

또 가혹 조건에서 연구진이 개발한 전극은 탄소 입자가 없어 18%의 성능만 감소했다. 내구성이 3배 이상 향상 됐을 뿐만 아니라 연료전지 출력 또한 27%가량 향상되는 결과를 얻었다.

KIST 김진영 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다”라고 말했다.

공동연구를 수행한 KAIST 정연식 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다”고 밝혔다.

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 게재됐다.