IBS(기초과학연구원, 원장 오세정) 나노입자연구단 성영은 그룹리더 연구진이 기존 연료전지 전극의 내구성 저하 문제를 일으키던 탄소 입자와 고분자 물질을 사용하지 않고 친환경 차세대 동력원인 연료전지의 성능을 획기적으로 개선하는데 성공했다고 26일 밝혔다.
이 연구결과는 네이처 자매지 `네이처 커뮤니케이션`온라인 판에 게재됐다. 연구결과를 담은 논문의 제1저자는 서울대 화학생명공학부 김옥희 박사과정생이다. 나노입자연구단 그룹리더 성영은 박사와 국민대 조용훈 전임연구교수는 공동교신 저자로 등록했다.
연구진은 고분자전해질 연료전지의 효율증가를 위해 연료전지 핵심소재인 막-전극접합체 내부의 백금촉매층 전극 구조를 제어해 나노크기의 규칙적인 기공이 정렬된 3차원 나노구조인 인버스오팔 구조 전극을 도입했다. 오팔 구조에 기공을 형성해 만든 인버스오팔 구조는 내부 기공들이 3차원으로 연결돼 있고 전극 두께를 얇게 할 수 있다. 이 결과 연료전지의 단위면적당 출력성능을 53% 향상시켰다.
수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 장치인 연료전지는 효율이 뛰어나고 온실가스나 유해물질 배출이 전혀 없어 친환경 차세대 동력원으로 각광받고 있다. 그러나 값비싼 백금촉매의 사용으로 인한 가격경쟁력 저하 문제는 상용화의 큰 걸림돌이었다.
이 연구에서 인버스오팔 구조의 전극이 적용된 연료전지의 경우, 성능을 나타내는 단위면적당 출력밀도가 같은 양의 백금을 사용했음에도 불구하고 기존 741 ㎽/㎠에서 1137 ㎽/㎠ 으로 53% 증가한 것을 확인했다.
연구진은 분석하진 않았지만, 내구성 뛰어날 것으로 예상했다.
성영은 그룹리더는 “연료전지와 같은 친환경 에너지 분야의 예비전력 저장 및 활용 분야에서도 아주 유용할 것”이라며 “물분해와 같은 수소생산기술과 조화를 이룰 경우 우리나라처럼 여름철 전략난을 겪는 국가의 전체 에너지 시스템 효율향상에도 큰 도움이 될 것으로 예상한다”고 말했다.
그는 또 “나노전극 제작 기술은 비단 연료전지 분야만이 아니라 태양전지, 리튬 2차전지 등의 에너지 관련 신소재로 활용할 수 있다”며 “수소연료전지차 1대당 필요한 백금 촉매가 80g 정도 되는 것으로 추산되는데, 이번에 개발한 신개념 전극 구조가 도입될 경우 대략 절반의 백금을 아낄 수 있어 비용절감도 가능하다”고 덧붙였다.
대전=박희범기자 hbpark@etnews.com
