최근 화석연료의 환경오염 유발과 자원고갈 우려로, 이를 대체할 차세대 동력원에 대한 연구가 활발히 전개되고 있다. 그 중 화석연료가 갖는 단점으로부터 자유로운 수소연료전지는, 차량의 동력원을 시작으로 그 영역을 확장하고 있는 추세이다. 전세계 완성차 판매 1위 업체(2015년 11월 기준) 토요타는 지난해 12월 일본을 시작으로 올해 미국에서 미래를 뜻하는 수소연료전지차량 ‘미라이’를 출시, 시장의 뜨거운 반응을 얻고 있다.

이미 우리 생활 깊숙이 들어와 있는 수소연료전지는 백금 촉매가 들어간 탄소다공체 전극과 고분자 전해질로 구성된다. 연료원인 수소가 연료극에서 전자를 내놓게 되는데, 이때 전류가 발생한다. 그리고 전류를 방출한 수소(정확히는 수소이온)는 환원극에서 공기 중 산소와 반응하는데 반응의 부산물로는 순수한 물만 생성되기 때문에 친환경적이다.

이와 같이 이상적인 동력원인 수소연료전지는 백금 촉매가 발전효율을 결정짓는 핵심소재이다. 하지만 고열의 구동환경에서 쉽게 변형되어, 본연의 기능을 상실하는 치명적인 문제가 있다. 또한 고가인 백금은 전지의 제작단가를 높이기 때문에, 백금 함량은 낮추고 발전효율은 높이는 연구가 세계적으로 진행되고 있다.

국내에서는 IBS 나노입자 연구단(단장 현택환)의 연구진이, 수소연료전지의 나노합금촉매 연구성과를 12월 4일 미국화학회지(JACS) 온라인판에 게재하였다. 연구팀은 백금과 철 나노입자를 이용해 합금을 만드는 방법으로, 백금의 구성 비율을 기존 대비 50% 낮추었다. 또한 얇은 탄소원자막을 입혀, 고열에서 백금과 철 나노입자의 팽창을 억제하였다. 이와 동시에 촉매들끼리 뭉쳐지는 현상을 원천 차단했다. 그 결과 현재 상용 중인 수소연료전지의 10배가량인 1.6 mA/g의 성능을 보였으며, 제품 수명에 가까운 10,000회의 가속화 구동실험에도 성능저하가 없었다. 실제 상용화 단계의 연료전지 시스템에서는 연속 100시간 구동에 단 3.4%의 성능 저하만을 보였다.

이번 연구는 저비용, 고성능, 고안정성의 촉매 특성을 모두 만족 시키는 획기적인 결과를 가져왔다. 이로써 수소연료전지 차량의 보급 확대와 향후 연료전지 기반 사업의 획기적 전환점을 가져올 것으로 기대를 모으고 있다.

▲ 탄소다공체 위 백금과 철 합금 촉매(좌)와 도파민을 도포한 모습(중,우)

▲ 탄소원자막이 없는 상태의 촉매합금(좌) 탄소원자막 생성 상태의 촉매합금(중,우) 의 전자현미경 사진

▲ 연료전지 장기가속화 실험(좌), 장기가속화 결과 요약(우)

대외협력실 김한섭