이리듐 촉매 비용 대폭 낮추는 이중 도금 기술 개발
수전해·전력생산 복합 재생연료전지 상용화 앞당겨
[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 국내 연구진이 수소와 전력 생산을 한번에 할 수 있는 일체형 재생연료전지 생산단가를 크게 낮출 수 있는 기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 서울대 공동 연구진과 함께 일체형 재생 연료전지의 촉매 제조에 필수적인 고가의 귀금속 이리듐의 함량을 최대 80% 이상 줄일 수 있는 이중도금 전극 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
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| [서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 제1저자_KIST 임아연 연구원(박사과정). [제공=KIST] 2020.04.28 swiss2pac@newspim.com |
이 기술은 연료전지의 수소 및 산소 발생 전극으로 사용했을 때도 안정적인 성능을 보여 수전해·전력생산 일체형 재생 연료전지의 현실화를 앞당기게 될 것으로 전망되고 있다.
신재생 에너지 분야에서는 최근, 물을 전기분해해 수소와 산소를 만드는 수전해와, 역반응인 전력생산 기능을 함께 갖춘 '일체형 재생 연료전지'가 주목받고 있다. 태양광·풍력 등에서 발생하는 유휴 전력을 친환경 수소로 저장했다가 필요할 때 재사용할 수 있기 때문이다. 하지만 산소 발생 및 환원 반응에 필요한 촉매의 높은 가격이 상용화의 걸림돌이 돼 왔다.
촉매는 재생 연료전지의 느린 산화·환원 반응 속도를 높이는 역할을 한다. 이렇게 빨라지는 전기화학반응은 물의 전기분해와 수소 생산에 들어가는 전력소비를 낮추게 된다. 하지만 기존의 수전해 장치는 수소 생산 효율을 높이기 위해 상당량의 이리듐 사용(2mg/cm2 이상)이 불가피했다.
기존의 일반적인 전극 제조방식은 촉매 입자와 고분자 접착제( 이오노머 : 이온을 전달할 수 있는 이온 전도도가 있으며 열을 가했을 때 변형이 가능한 고분자, 전기화학 반응에서 생기는 이온을 전달하고 반응을 활성화하는 촉매 입자 간의 결합을 돕는다.
이오노머)를 균일하게 섞어 촉매 층에 스프레이로 분사하는 방법이다. 하지만, 스프레이 방식으로 제조된 경우 촉매가 뭉치고 접착제가 일부 촉매를 가려 촉매의 활성 면적이 감소한다. 이를 개선하기 위해 도금 방식의 연구가 활발해졌다. 도금 방식은 접착제가 없어도 촉매 간 결합, 촉매와 전극 간 결합이 양호하다. 또한, 전극에 아주 얇게 촉매가 코팅되는 동시에 친수성을 띠게 되어 적은 양의 촉매로도 높은 활성도를 얻을 수 있다.
KIST 연구진은 더 높은 성능을 갖는 도금 전극을 만들기 위해 촉매 층 밑에 반원 형태로 제어된 촉매 지지체를 만들고 그 위에 수전해 촉매를 형성하는 이중도금 기술을 개발하는 데 성공했다.
이에 따라 촉매의 활성 표면적이 기존 단일도금 전극보다 2.5배 이상 증가하였으며, 촉매 담지량 당 전류밀도(A/mgIr)는 단일도금 전극의 2.1배, 스프레이 전극과 비교하면 56배가 향상된 성능을 나타냈다. 또한, 전 세계적으로 수전해 및 재생 연료전지 시스템의 상용화 기준점으로 불리는 귀금속 질량당 목표치 0.01 gIr/kW를 달성했다.
KIST 박현서 박사는 "귀금속 함량이 낮으면서도 성능과 안정성이 우수한 이중도금 기술 전극이 일체형 재생 연료전지뿐만 아니라 산소 발생 반응을 포함하는 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 여러 친환경 연료전지 분야에서도 폭넓게 응용될 수 있기를 기대한다"라고 연구 의의를 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업 및 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 에너지 환경 분야 국제 저널인 'Applied Catalysis B-Environmental' 최신 호에 게재되었다.
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