백금사용량 줄인 연료전지 개발

백금사용량 줄인 연료전지 개발

[인터뷰] 성영은 서울대 화학생물공학부 교수

 

 

국내 연구진이 수소차에 사용하는 차세대 연료전지 성능을 획기적으로 개선시켜 큰주목을 받고 있다. 기존 연료전지 전극의 내구성 저하문제를 발생시키던 탄소입자와 고분자 물질을 사용하지 않고 연료전지의 성능을 향상시킨 것.

성영은 서울대 화학생명공학부 교수팀이 진행한 이번 연구는 ‘네이처(Nature)’ 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 온라인 판에 게재됐다.

▲ 성영은 서울대 화학생물공학부 교수팀은 백금사용량을 줄인 연료전지를 개발했다. ⓒ성영은

“천연오팔 원석이나 나비 날개와 같은 물질은 아름다운 색을 띄는데 이것은 안료나 색소 때문에 나타나는 것이 아니라 나노미터 수준의 작은 구조가 반복되는 데서 기인하는 것입니다.

이런 물질들의 표면을 전자현미경으로 살펴보면 작은 나노입자들이 규칙적으로 배열돼 있는 것을 관찰할 수 있는데 이러한 규칙적인 구조를 ‘오팔구조’ 라고 합니다. 그 반대 구조는 ‘인버스오팔’ 구조라고 할 수 있죠. 우리 연구팀은 인버스오팔 구조를 지닌 물질의 구조적 장점을 연료전지에 접목시켜 효율을 증진시키는 연구를 진행했습니다.”

연료전지용 저가촉매 메카니즘 규명
‘인버스오팔’ 물질은 나노미터 크기의 각각의 단위체들이 규칙적으로 연결되고 외부로 개방된 3차원 구조물질이다. 표면적을 증대시키기 쉽고 확산경로가 짧으며 구불구불한 구조보다 이온전도도가 높을 뿐 아니라, 각각의 나노입자들이 내부적으로 연결돼 있어 내구성이 뛰어나다는 장점이 있다. 또한 각각의 단위체들 사이에 기공이 있어 화학 반응에 필요한 물질전달과 생성물 배출이 용이해 많은 연구진들이 주목하고 있는 부분이다.

“값비싼 백금 나노입자 촉매는 연료전지의 상업화를 가로막는 가장 큰 장애물이었어요. 이것을 극복하기 위해 저희 연구팀은 같은 양의 백금을 사용하면서 성능은 더욱 뛰어난 고효율 연료전지를 개발하고자 했죠. 특히 팔라듐과 니켈, 코발트 등의 금속과 백금의 합금으로 구성된 촉매에 대한 연구를 통해 새로운 고활성 저가촉매에 대한 이론과 메커니즘을 규명했습니다.”

성영은 교수팀의 이번 연구는 막-전극접합체 전극구조를 개선해 성능을 크게 향상시켰다는 데 큰 의의가 있다. 현재 수소연료전지 자동차 한 대당 백금촉매는 약 80g 사용되는데, 이번에 개발한 신개념 전극구조가 도입될 경우 대략 절반의 백금을 아낄 수 있을 것으로 예상된다.

“물방울이 구형인 것처럼 자연계의 모든 물질은 표면적을 최소화해 안정화되려는 경향이 있습니다. 백금 입자들도 마찬가지에요. 지지체인 탄소 입자 위에 수 나노미터 크기의 미세한 백금 입자가 얹힌 형태의 기존 백금 촉매를 장시간 계속 사용하다보면 탄소들은 산소와 반응해 이산화탄소가 되는 등 부식되며 백금끼리는 서로 뭉치고 크기가 커지면서 열화 메커니즘이 시작됩니다.

이러한 현상을 고려해 볼 때 미세한 백금 입자들이 이미 결합돼 규칙적인 3차원 구조를 이루고 별도의 지지체가 없는 형태인 인버스오팔구조 백금 전극은 내구성에 있어서도 기존 촉매보다 뛰어날 것임을 짐작할 수 있었습니다. 또한 탄소와 같은 별도의 지지체가 없으므로 같은 양의 백금이 도입된 경우 기존보다 전극 두께가 기존 전극보다 5분의 1 이상 얇아지게 되므로 이오노머와 같은 별도의 고분자 물질 없이도 전기화학 반응에 필요한 수소이온(양성자)의 이동이 가능하게 됩니다.”

기존에도 인버스오팔 물질을 적용한 경우는 여러 차례 있었지만 성공까지 연결시키는 데는 다소 무리가 있었다. 인버스오팔 구조를 고분자전해질 연료전지의 막-전극접합체에 그대로 적용하는 데 제한사항이 많았기 때문이다. 인버스오팔구조 제작과정에서 지지체로 사용되는 기판은 실리콘 웨이퍼나 슬라이드 글라스 등과 같이 대부분 매끈한 표면을 가진 물질인데 연료전지의 막-전극접합체에서는 그렇게 사용될 매끈한 표면을 가진 물질이 없는 게 가장 큰 이유다.

“탄소 지지체와 고분자 물질의 사용 없이 백금 금속만으로 구성된 3차원 구조가 온전하게 보전된 대면적(5 cm2) 전극을 제작한 것은 이번이 처음입니다. 더불어 대면적으로 제작했을 뿐 아니라 실제 고분자전해질 연료전지 단위전지에서 성능을 구현하기 까지 했죠. 우리 연구팀은 연료전지 핵심 부품의 하나인 가스확산층(GDL) 표면을 간단한 전처리로 개질하고 그 위에 오팔구조 템플릿을 제작한 후 인버스오팔구조로 전환해 사용함으로써 전사과정이 필요 없는 간단한 공정이 가능하도록 했어요.”

기존 연료전지 대비 53% 성능 향상

▲ 기존 연료전지와 새로운 연료전지 구조 비교 ⓒ성영은

성영은 교수팀은 이번 연구를 통해 기존 연료전지보다 그 성능을 53% 향상시켰다. 연료전지의 단위면적당 출력밀도가 높아지고 더 큰 에너지를 낼 수 있게 된 것이다. 연료전지는 전기를 발생시키는 발전장치이기 때문에 배터리와 다르게 저장용량 개념을 쓰지 않는데 순간적으로 얼마의 전기를 발생시킬 수 있느냐가 중요하다는 점에서 기존의 전지와 성능차이가 매우 두드러진다고 볼 수 있다.

“좋은 결과를 얻을 수 있었지만 연구과정이 결코 쉽지 않았어요. 더 솔직히 말하자면 쉬운 것은 하나도 없었죠. 처음에는 인버스오팔구조 전극을 별도로 만들어 연료전지의 막-전극접합체에 전사해 도입하려고 했지만 전사 자체가 힘든데다가 공정이 지나치게 복잡했어요.

또한 가스확산층 표면에 오팔 구조의 템플릿을 만드는 과정부터 인버스오팔 구조로 변환시키는 단계 모두 산 넘어 산이었습니다. 최적의 조건을 갖추지 않으면 제대로 된 오팔구조가 생성되지 않았거든요.

뿐만이 아니에요. 오팔구조 템플릿 사이에 백금을 채워 넣고 인버스오팔구조로 변환시키는 단계에서도 수많은 시행착오가 있었습니다. 백금을 채우는 다양한 방법 중 펄스 전기전착법을 사용했는데 전착 시간 및 전류세기와 같은 세부 조건을 결정하기가 쉽지 않았죠. 다양한 조건에서 실험을 하고 결과를 살펴보고 하나씩 바꿔나가는 수밖에 없었어요.”

이번 연구는 연료전지의 출력밀도를 획기적으로 향상시키고 물관리 능력을 토대로 기존 연료전지보다 백금사용량을 줄이면서 성능은 높였다는 점에 그 의의가 있다. 성영은 교수는 이러한 신개념 전극을 이용할 경우 연료전지 백금사용량을 감소하고 제조원가 절감도 가능할 것이라고 이야기 했다.

“연구를 통해 차세대 연료전지로서의 응용 가능성을 증명했으므로 연료전지 막-전극접합체(MEA) 관련 개발과 연구 패러다임에 큰 영향을 미칠 것으로 전망하고 있습니다. 나아가 향후 수소경제를 이끌 연료전지의 원천기술 개발 및 차세대 수소연료전지 자동차 연구에도 지대한 영향을 미칠 것으로 기대하고 있죠.

나노기술의 에너지 분야 적용 잠재력이 아주 크다는 것을 확인했어요. 동시에 나노기술이 접목된 차세대 친환경에너지 분야에서 순수 국내 연구진만으로 괄목할만한 학술적 성과를 냄으로써 한국이 이 분야를 주도할 수 있는 가능성을 확인했다고 볼 수 있죠.”

성영은 교수팀의 이번 연구결과는 가압 조건보다 상압조건에서 성능향상의 폭이 더욱 클 것으로 추측되고 있다. “만약 목표를 상용화에 두고 연구역량을 집중시킨다면 소형 연료전지의 경우 1~2년 이내라도 상용화가 가능할 거예요. 자동차나 대형 연료전지의 경우 3~5년 정도 걸릴 것으로 전망하고 있죠. 무엇보다 이번 결과는 연료전지의 현재 성능을 50% 이상 끌어올릴 수 있다는 것을 보여줬기 때문에 연료전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것입니다.”

성영은 교수는 앞으로 백금뿐 아니라 다른 금속이 도입된 인버스오팔 구조의 물질을 제작할 계획을 갖고 있다고 이야기 했다.

“이번 연구에서 사용된 나노전극 제작 기술은 비단 연료전지 분야만이 아니라 태양전지와 리튬 2차전지 등 에너지 관련 신소재로 활용될 가능성을 충분히 갖고 있습니다. 앞으로 다른 분야에서 이에 대한 연구를 추가적으로 진행할 계획이에요.”

황정은 객원기자 | hjuun@naver.com 저작권자 2013.10.11 ⓒ ScienceTimes