나노기술 및 정책 정보

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국내 연구진이 수소자동차와 차세대 연료전지발전기에 쓰이는연료전지의 성능향상 기술을 개발했음. 이 기술을 이용한 연료전지는 매우 적은 백금으로도 전기와 수소 생산 성능이 3~4배 향상됐다고 연구진은 설명했음.

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

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

고온에서도 연료전지 반응을 안정적으로 촉진시키는 물질을 원자 단위로 반응하도록 만들었음. 연구진은 "지금까지 전기화학 소자의 전극 내부에서 단일원자 촉매가 합성될 수 있는 기술은 보고된 바 없다"고 말했음.

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

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

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

이 기술은 모든 백금 원자가 반응에 원활하게 참여할 수 있게 된 것이 가장 큰 특징임. 결국 백금의 사용량을 최소화하면서도 전극의 반응속도를 높인 것임.

이 촉매는 백금과 세륨 이온이 녹아있는 용액을 연료전지의 전극 내부로 주입한 후 연료전지가 고온에서 작동하는 동안에 촉매가 합성되도록 했음. 연구진은 별도 특수장비 없이도 간단하게 전극에 주입할 수 있어 기존 연료전지에도 쉽게 적용될 수 있다고 설명했음.

한편, '3차 전지'로 불리는 연료전지는 충전이 필요한 배터리(2차 전지)와 달리 수소와 산소의 화학 반응으로 직접 전기를 생산하는 친환경 발전 시스템임. 연료전지는 작동온도와 전해질에 따라 다양한 종류가 있음. 이 가운데 전 세계적으로 연구가 가장 활발한 분야 중 하나가 세라믹을 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지임.

본 연구 성과는 ‘Energy & Environmental Science’ 지에 게재됨.