아주경제 이한선 기자= 국내연구진이 연료전지 성능을 높이는 새 나노구조 전극을 개발했다.

미래창조과학부는 국제과학비즈니스벨트 핵심 연구기관인 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 성영은 그룹리더(서울대학교 화학생물공학부 교수) 연구진이 기존 연료전지 전극의 내구성 저하 문제를 발생시키던 탄소 입자와 고분자 물질을 사용하지 않고 친환경 차세대 동력원인 연료전지의 성능을 크게 개선했다고 26일 밝혔다.

연구 결과는 네이처 자매지인 네이처 커뮤니케이션 온라인판에 18일 게재됐다.

연구진은 고분자전해질 연료전지의 효율증가를 위해 연료전지 핵심소재인 막-전극접합체 내부 백금촉매층 전극 구조를 제어해 나노미터 크기 규칙적인 기공이 정렬된 3차원 나노구조인 인버스오팔 구조 전극을 도입했다.

막-전극접합체는 연료전지 핵심 구성품 중 하나로 전극역할을 하는 촉매와 전해질 역할을 하는 막이 일체형으로 접합된 상태로 연료전지에서 실제 전기화학 반응이 발생해 연료전지의 성능을 좌우한다.

오팔 구조에 기공을 형성해 만든 인버스오팔 구조는 내부 기공들이 3차원으로 연결돼 있고 전극 두께를 얇게 해 연료전지 물질전달 효율을 개선하면서 단위면적당 출력성능을 53% 향상시켰다.

인버스오팔 구조는 나노미터 수준의 작은 구조가 반복돼 천연오팔 원석이나 나비 날개의 경우 아름다운 색을 띄는 오팔구조의 반대 구조를 말한다.

수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 장치인 연료전지는 효율이 뛰어나고 온실가스나 유해물질 배출이 없어 친환경 차세대 동력원으로 각광받고 있지만 백금촉매 사용으로 가격경쟁력이 상용화의 걸림돌이었다.

연구진은 인버스오팔 구조의 물질이 가진 특징 중 하나인 규칙적인 기공구조에 주목해 구조적 장점을 연료전지에 접목해 효율을 높이고자 했다.

인버스오팔 물질은 수백 나노미터 크기 단위체들이 규칙적으로 연결되고 외부로 개방돼 있는 3차원 구조를 이루고 있어 표면적이 넓고 확산경로가 짧으며 화학 반응에 필요한 물질의 전달과 생성물의 배출이 용이하다.

나노구조 물질의 연료전지 분야 적용은 이미 시도됐으나 탄소와 같은 별도의 지지체 없이 백금 금속 자체만으로 대면적 3차원 구조를 제작해 실제 연료전지의 전극.촉매로 도입하고 단위전지 성능을 구현한 것은 이번이 처음이다.

이번 연구에서 인버스오팔 구조의 전극이 적용된 연료전지의는 성능을 나타내는 단위면적당 출력밀도가 같은 양의 백금을 사용한 경우 기존 741 ㎽/㎠에서 1137 ㎽/㎠ 으로 53% 증가했고 내구성도 뛰어날 것으로 예상된다.

이번 연구성과는 연료전지와 같은 친환경 에너지 분야의 예비전력 저장 및 활용 분야에서도 유용한 것으로 물분해와 같은 수소생산기술과 조화를 이룰 경우 우리나라처럼 여름철 전략난을 겪는 국가의 전체 에너지 시스템 효율향상에도 도움이 될 것으로 예상된다.

적용 잠재력이 큰 나노기술 에너지와 차세대 친환경에너지를 접목한 분야에서 국내 연구진이 거둔 성과라는 점에도 의미가 있다.

성영은 그룹리더는 “연구에서 사용된 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 밝혔다.

이한선 기자  

아주경제 2013년 9월 26일자