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KIST, 도장 찍듯이 간단한 초미세 인쇄기술 이용, 3차원 나노구조 전극 개발

작성자 : 편집부 2021-09-16 | 조회 : 1126

- 촉매 내구성 증대 및 백금 사용량 저감을 통한 수소연료전지 경제성 확보

수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 친환경 발전장치인 수소연료전지는 수소전기차에서는 엔진과 같은 역할을 한다.

그러나 연료전지의 핵심 구성요소인 백금 촉매를 지지하기 위해 사용되는 탄소 입자가 쉽게 부식되어 연료전지의 수명이 길지 않다는 문제가 있다. 부식된 연료전지는 새로이 교체가 필요한데, 수백~수천만 원을 호가하는 연료전지 교체 비용은 차주로서는 부담스러울 수밖에 없다.

국내 연구진이 이러한 문제를 해결해 수소연료전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김진영 박사와 물질구조제어연구센터 김종민 박사가 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 정연식 교수와의 공동연구를 통해 도장 찍듯이 간단한 20nm급 초미세 인쇄기술을 활용하여 연료전지 부식 문제의 원인인 탄소를 사용하지 않는 새로운 형태의 백금 나노구조 전극을 개발했다고 밝혔다.

[그림 1] 철골구조와 비슷한 형태의 멀티 스케일 백금 나노 아키텍처 전극 모식도

[그림 2] 멀티 스케일 백금 나노 아키텍처 기반 박막형 막전극접합체(MEA) 모식도

수소연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 나노미터 크기일 때 서로 달라붙는 성질이 있어 안정적이지 못해 백금만으로는 촉매 소재로 활용될 수 없다. 이 때문에 현재 상용화된 촉매는 2~5nm 크기의 백금 나노입자를 탄소 입자 위에 붙여 안정화시켜 놓은 것이다.

하지만 탄소 입자는 연료전지의 반복 구동 과정에서 부식으로 인해 소실되어 백금을 지탱하지 못하며, 결과적으로 연료전지의 성능이 지속적으로 감소하는 문제를 일으킨다. 또한 전극 두께가 수 마이크로미터로 두껍고 구조가 복잡해 연료전지의 효율 또한 좋지 못했다.

연구진은 수소연료전지 수명에 치명적인 탄소 입자를 사용하지 않고도 안정적인 백금 촉매를 만들기 위해 도장을 찍듯이 간단한 인쇄공정을 여러 번 반복하여 20nm급의 안정적인 형태의 백금 구조물을 적층하는 초미세 공정을 개발하였다.

이 공정을 통해 개발한 전극은 철골 건축물과 닮아 구조물 사이에 넓은 통로가 있어 연료전지 내부에서의 산소, 수소, 물의 이동이 원활해졌고, 기존의 1/10 이하로 두께가 얇아질 수 있다.

이로 인해 탄소 입자 없이 백금만으로 전극을 제작할 수 있게 됐으며, 해당 전극을 사용할 경우 기존 상용 촉매 전극보다 내구성이 3배 이상 향상1)됐을 뿐만 아니라 연료전지 출력 또한 27%가량 향상되는 결과를 얻었다.

고분자전해질 연료전지에 적용하여 테스트한 결과, 5,000회의 반복 구동 시 상용 촉매 전극의 경우 72% 성능 감소하는 가혹 조건에서 연구진이 개발한 전극은 탄소 입자가 없어 18%의 성능만 감소함

[그림 3] PET 유연 기판 위에 롤투롤 대면적 나노 인쇄공정 구현 및 전사된 백금 나노선 SEM 이미지

[그림 4] 20nm급 고해상도 나노 인쇄공정 과정 및 마스터 몰드에 따른 백금 나노 아키텍처 SEM 이미지

[그림 5] 기존 상용 Pt/C 전극 및 다양한 나노 아키텍처 백금 전극 성능 비교 및 탄소 담지체

열화 테스트 이후 최대전력 밀도 유지율

KIST 김진영 박사는 “초미세 인쇄 기술을 통해 개발한 촉매는 전극의 내구성 및 성능을 획기적으로 향상시켜 수소연료전지의 경제성을 확보할 수 있다.”라고 말했다.

공동연구를 수행한 KAIST 정연식 교수는 “연료전지뿐만 아니라 촉매, 센서, 배터리 등 다양한 전기화학 응용 분야에서의 활용을 기대한다”라고 밝혔다.

한편, 본 연구에는 연료전지 계산전문가인 인하대학교 주현철 교수도 참여해 연료전지 전극 내 유체의 거동에 대한 시뮬레이션 분석 역할을 담당했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요 사업, 기후변화대응사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행되었으며, 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ (IF: 14.136, JCR 분야 상위 6.164%) 최신 호에 게재되었다.

* 논문명: Conformation-Modulated Three Dimensional Electrocatalysts for High Performance Fuel Cell Electrodes