고체연료전지 성능 4배 올라갔다

백금 원자 하나하나가 일일이 반응 참여
전극 반응속도, 기존보다 10배 이상 높아져
전기 만들면서 수소를 다시 생산할 수도 있어

한국과학기술연구원 에너지소재연구단 윤경중 박사팀이 한양대학교 이윤정 교수와 함께 개발한 단일원자 촉매의 개념도. 세륨 산화물 나노입자에 백금 원자들이 붙어 있어 전기를 만드는 화학반응 속도가 10배 이상 빨라졌다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 차세대 연료전지발전기에 쓰이는 연료전지의 성능향상 기술을 개발했다. 이 기술을 이용한 연료전지는 매우 적은 백금으로도 전기와 수소 생산 성능이 3~4배 향상됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구단 윤경중 박사팀이 한양대학교 이윤정 교수와 공동연구로 고체산화물 연료전지용 단일원자 촉매를 개발했다고 13일 밝혔다.

이 촉매를 사용한 연료전지 실험 결과 700℃ 이상에서도 500시간 이상 안정적으로 작동했으며 전극 반응속도가 10배 이상 높아졌다.

고온에서도 연료전지 반응을 안정적으로 촉진시키는 물질을 원자 단위로 반응하도록 만들었다.

고체산화물 연료전지는 세라믹을 전류가 이동하는 전해질로 사용한다. 이 때문에 700℃ 이상의 고온에서 작동이 가능해 연료전지중 가장 높은 효율을 낼 수 있다. 또 전기 생산때 나오는 수증기를 분해해 다시 수소를 만들어 낼 수도 있다.

이 같은 이점에도 연료전지 촉매에 쓰이는 백금은 고온에서 쉽게 뭉쳐 효율이 떨어지며 제한된 매장량과 높은 가격도 단점이다.

연구진은 이 단점을 보완하기 위해 백금 원자와 세륨 산화물 나노입자를 강하게 결합시켰다. 백금 원자 하나하나가 세륨 산화물 나노입자의 표면에 약 1nm(10억분의 1ｍ) 간격으로 균일하게 분산시켰다.

이 기술은 모든 백금 원자가 반응에 원활하게 참여할 수 있게 된 것이 가장 큰 특징이다.

결국 백금의 사용량을 최소화하면서도 전극의 반응속도를 높인 것이다.

한국과학기술연구원 에너지소재연구단 윤경중 박사팀이 한양대학교 이윤정 교수와 함께 개발한 고체산화물 연료전지용 단일원자 촉매. 맨 왼쪽은 고체산화물 연료전지의 전극. 가운데는 전극 내부 표면에 형성된 단일원자 촉매이며, 오른쪽은 촉매 표면에 분산돼 있는 백금 원자(밝은 점). KIST 제공

이번 연구결과는 '에너지 및 환경과학' 최신호에 게재됐다.

한편, '3차 전지'로 불리는 연료전지는 충전이 필요한 배터리(2차 전지)와 달리 수소와 산소의 화학 반응으로 직접 전기를 생산하는 친환경 발전 시스템이다. [e-mail] 김만기 기자