연료전지 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있는 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원 연료전지연구센터의 유성종 박사와 성영은 서울대 화학생물학부 교수는 백금의 사용을 크게 줄이고 고효율 멀티스케일 나노 구조를 갖는 연료전지 촉매를 개발했다고 13일 밝혔다.

연료전지는 수소가 공기 중의 산소와 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 발전장치로, 충전이 필요 없고 오염물질이 나오지 않아 친환경 동력원으로 주목을 받고 있다.

하지만 고분자 전해질 연료전지는 전극에 값비싼 백금을 대량으로 사용돼 경제적 효용성이 낮다는 단점을 가지고 있었다.

연구진은 정교한 나노 디자인 구조를 활용해 이 문제를 해결했다. 나노 입자를 제조할 때 니켈(Ni), 코발트(Co), 철 (Fe)과 같은 전이 금속과 백금을 환원시킨 전이 금속 합금 구조를 이용해 백금의 사용량을 40%까지 줄였다.

또 나노 입자 내부에는 가격이 저렴한 전이 금속을 코팅하고 외부에만 백금을 사용하는 코어 쉘 구조와 'hollow' 구조도 적용, 백금 사용량을 50%까지 줄였지만 기존 촉매 성능의 2~5배에 달하는 효율성을 나타냈다고 연구진은 밝혔다.

연료전지는 제조단가에서 촉매비용이 50% 이상을 차지한다. 특히 희귀한 백금이 사용되기 때문에 가격은 더욱 높아진다. 현재 양산되는 연료전지의 단가는 1kw당 47달러 정도며 그 가운데 촉매 비용만 24달러에 달한다.

하지만 연구진이 개발한 기술을 적용해 백금의 사용이 줄어들게 되면 촉매 비용은 최대 8달러까지 줄어들게 된다. 연구진은 더 나아가 상용화를 위한 목표인 1kw당 30달러 이하까지 연료전지 제조단가를 낮출 계획이다.

연구진은 "이번 연구에서 개발된 멀티스케일 나노 구조를 갖는 전이 금속 합금, 코어-쉘 및 hollow 촉매 합성기술은 연료전지뿐만 아니라, 물 분해, 수소 개질, 자동차용 배출가스 정화 장치 등의 넓은 분야에 걸쳐 활용될 가능성을 가지고 있다"며 "다양한 형태의 나노 촉매 구조의 새로운 응용가능성을 탐구하는데 기여할 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌 프론티어사업과 IBS(기초과학연구원)의 지원으로 수행됐고, 연구 결과는 나노 투데이(Nano Today) 7월 25일자에 게재됐다.