원가 낮춘 수소연료전지 양극 개발

GIST 박찬호 교수팀 주도
비싼 백금, 철·구리로 대체

비싼 백금 대신 철과 구리를 이용해 저렴한 수소연료전지를 만들 수 있는 양극을 개발한 GIST 박찬호 교수(오른쪽 첫번째)과 연구팀이 9일 연구실에서 기념촬영을 하고 있다. GIST 제공

광주과학기술원(GIST) 에너지융합대학원 박찬호 교수팀이 비싼 백금 대신 철과 구리를 이용해 수소연료전지의 양극을 개발했다. 이번에 개발한 양극은 백금으로 만든 것보다 성능이 뛰어났다고 연구진은 설명했다.

박찬호 교수는 9일 "차세대 음이온 교환막 연료전지의 비귀금속 촉매를 개발했다는데 의의가 있다"면서 "향후 전극 최적화를 진행하면 연료전지의 가격을 낮출 수 있을 것"이라고 말했다.

백금은 높은 활성과 내구성으로 수소연료전지의 양극과 음극으로 쓰이고 있다. 수소경제시대로 들어서기 위해서는 희소성과 높은 원가의 백금을 대체할 수 있는 단가 대비 효율성이 높은 촉매가 필요하다.

연구진은 음이온 교환막 연료전지에서 산소가 반응하는 양극을 철과 구리로 만들었다. 산소 기체가 양극에서 최대한 많이 접촉하도록 만들기 위해 미세한 틈을 만드는데 집중했다.

이를 위해 미세하게 구멍이 뚫린 실리콘 산화물을 틀로 삼았다. 여기에 철과 구리 등을 혼합해 넣은 뒤 고온으로 열분해하면서 실리콘 틀은 태워 없앴다. 이렇게 하면 탄소가 풍부한 비귀금속 양극이 만들어진다. 연구진은 구리 이외에도 황, 인, 질소 등을 첨가하면 철의 상태가 변해 양극에서 산소가 반응하는 속도가 향상된다고 설명했다.

이런 방식으로 양극을 만들어 테스트하면서 철과 구리의 최적 혼합비율을 찾아냈다. 철이 구리보다 많이 들어가면 쉽게 뭉치고 구리가 더 많이 들어가면 촉매 활성점의 수가 부족했다. 그결과 철과 구리의 비율이 1:1일때 가장 성능이 뛰어났다.

한국에너지기술연구원 배병찬 박사팀과 협력해 양극으로 만든 뒤 단위전지 성능을 평가했다. 그결과 연구진이 만든 반쪽 전지는 0.6V에서 490㎃㎠의 전류밀도를 가졌다.

이에 앞서 미국 조지아공대의 장승순 교수팀의 도움을 받아 계산 화학으로 비귀금속 촉매에 구리를 혼합했을 때 양극의 성능이 향상되는 원인을 밝혀냈다.

[e-mail] 김만기 기자