우리 연구진이 값비싼 백금을 쓰지 않고도, 높은 전력밀도를 갖춘 양성자 교환막 연료전지를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 이진우 생명화학공학과 교수팀이 장세근 국민대 교수팀, 백서인 서강대 교수팀과 함께 비백금계 촉매 기반 고전력밀도 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)를 개발했다고 7일 밝혔다.
연료전지는 부산물로 물 만 배출하는 친환경 에너지 변환 장치로, 이 중 PEMFC는 수송·발전용 연료전지로 상용화가 진행 중이다. 다만 촉매로 사용되는 백금 가격이 높아 대량 생산과 보급에 문제가 있다.
백금을 대체하고 기존 연료전지 비용을 줄이는 유력 후보 물질로 M-N-C계 촉매가 주목받았지만, 고전력밀도 구현에는 한계가 있다.
연구팀은 비 백금계 Fe-N-C 촉매를 고성능으로 구현, 뛰어난 가격 경쟁력과 고 전력밀도 연료전지 성능을 달성했다.
Fe-N-C 촉매 나노입자 활성점 주변 결함 정도를 조절했다. 이산화탄소를 흘려주며 열처리를 가하는 '이산화탄소 활성화 방법'으로 탄소 기반 촉매 내부 결함 정도를 미세 조정했고, 최적화 촉매가 활성화를 확인했다.
결함이 없을 때보다 오히려 적절한 결함이 있을 때 철 단일원자 활성점 전자구조가 최적화되고, 우수한 전기화학 성능을 가짐을 확인했다.
연구팀이 최적화한 Fe-N-C촉매는 기존 촉매보다 44% 향상된 고 전력 밀도를 보였다. 현재 사용되는 백금 촉매를 대체를 할 수 있음을 보였다. 연료전지 스택 가격 감소, 그에 따른 상용화 이바지가 기대된다.
이진우 교수는 “백금을 전혀 사용하지 않고 고 전력밀도PEMFC를 개발한 것은 의미가 크다”며 “개발 촉매와 합성 방법으로 향후 다양한 연료전지에서 백금을 대체 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이승엽 KAIST 생명화학공학과 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스' 10월 13일자에 온라인 게재됐다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 한국전력 사외공모 기초연구지원사업 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
