복잡한 고온 공정 없이 촉매 수명 4배 이상, 효율 5배 높아져 가격경쟁력 향상 기대

수소연료전지는 온실가스를 배출하지 않고 고효율로 전기를 생산할 수 있어 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 장시간 운전 시 성능이 떨어지고 촉매 교체에 따른 높은 유지비용으로 상용화에는 한계가 있다. 이는 연료전지의 핵심 부품인 촉매가 시간이 지남에 따라 금속 성분이 녹아내리거나 입자가 뭉치며 반응 효율이 저하되기 때문이다. 이에 따라 성능과 내구성을 유지하면서도 생산비용 부담이 적은 촉매기술의 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 수소연료전지연구단 유성종 박사 연구팀은 POSTECH(총장 김성근) 천동원 교수, KAIST(총장 이광형) 양용수 교수, 동국대학교(총장 윤재웅) 진하늘 교수와 공동으로 고성능·고내구성 촉매를 상온에서 손쉽게 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 촉매는 백금과 니켈을 정밀하게 배열한 나노입자로, 반응 면적을 넓히고 촉매 손실을 줄이기 위해 내부가 비어 있는 돔 형태의 구조로 설계됐다.

기존 촉매는 600℃ 이상의 고온에서 정밀한 구조를 만들기 위해 복잡한 공정을 거쳐야 했다. 하지만 연구진이 개발한 이번 기술은 상온에서 초음파를 활용한 1단계 공정만으로도 촉매의 정밀한 구조 형성이 가능하다. 연구진은 안경 세척기와 유사한 방식의 초음파 장치를 활용해 금속 원자가 자연스럽게 정렬되도록 유도하는 방식을 적용했다. 이로써 제조 공정을 단순화하고 생산비용을 줄이면서도 촉매의 성능과 안정성을 동시에 확보할 수 있게 됐다.

개발된 촉매는 실험실 수준의 성능 검증 결과, 기존 상용 촉매보다 질량 활성도(백금 1g당 생성할 수 있는 전기 반응량을 의미하며, 촉매의 효율성을 나타내는 핵심 지표)는 약 7배, 실제 연료전지 구동 시험에서는 반응 효율이 약 5배 향상됐다.

내구성 평가에서도 미국 에너지부(DOE)의 기준에 따라 약 42,000시간 이상 안정적인 운전이 가능하다는 결과를 얻어 현재 상용 촉매 대비 수명이 약 4.2배 향상된 것으로 나타났다. 이를 통해 트럭, 버스, 선박, 발전소 등 대형 연료전지 시스템에서 교체 주기를 줄이고 유지관리 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

연료전지 시스템에서 촉매는 전체 제조비의 약 30% 이상을 차지하는 핵심 부품이다. 이번 기술이 상용화되면 수소연료전지의 가격경쟁력을 크게 높일 수 있다.

현재 연구팀은 다양한 전이금속(철, 니켈, 코발트 등 다양한 금속으로, 백금과 조합해 촉매의 성능을 향상시키는 데 사용) 조합으로 기술을 확장하고 있으며 자동차용 연료전지 스택 단위 평가와 실증 연구도 함께 진행 중이다.

KIST 유성종 박사는 “이번에 개발한 촉매는 돔형 구조와 정밀한 원자 배열을 통해 기존보다 성능과 내구성이 크게 향상됐다”라며, “상온에서 합성할 수 있는 이 기술은 수소연료전지 상업화와 탄소중립 실현에 실질적으로 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.