세라믹을 사용한 수소연료전지 촉매 개발

한국세라믹기술원, 세라믹 소재를 사용한 수소자동차용 연료전지 촉매 설계 발표

기존 촉매보다 성능 20% 및 내구성 3.5배 증가

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 한국세라믹기술원은 기존에 수소자동차용 연료전지 촉매로 사용했던 백금과 활성탄을 대체할 세라믹 소재의 성능 및 내구성 향상을 발표했다. 

연료전지는 말 그대로 연료를 사용해 전기 에너지를 발생시키는 장치이다. 수소 연료전지의 기본 원리는 수소와 산소를 반응시키면 물과 에너지가 생성이 되고 이 에너지를 활용해 수소 자동차를 작동시키는 것이다. 

산소와 수소의 화학반응 속도를 향상하기 위해 기존에는 백금과 활성탄을 사용한 촉매를 사용했다. 다만 시동을 켜고 끄는 과정에서 활성탄이 고전압에 노출되어 파괴되는 문제를 가지고 있다. 백금은 매우 희귀한 원소로 현재 상용화된 수소차에 쓰이는 70g의 백금은 약 1000만 원에 가까워 비용적 측면에서 매우 부담이 된다.

이를 대체하기 위해 사용된 촉매는 세라믹으로 티타늄 카바이드 (TiC) 소재의 표면에 다양한 전이 금속 (타이타늄, 니켈, 철, 코발트 등)과 질소화합물을 결합했다.

세라믹이란 금속 양이온과 비금속 양이온 간의 결합으로 만들어진 화합물로 넓은 의미를 가진 용어이다. 여러 소재를 조합해 만들 수 있는 세라믹은 다양한 전자기적 및 물리적 특징을 가지고 있다. 일반적으로 내열성 및 내화학성이 우수해 화학 실험을 진행할 때 부식을 막아주는 보호용 소재로 쓰인다. 또한 전도성, 절연성, 초전도성 등 세라믹의 구성 성분에 따라 다양한 성능을 가질 수 있다. 방대한 범위를 가진 세라믹 소재를 성분에 따라 4개의 특징으로 나누면 산화물 세라믹, 질화물 세라믹, 탄화물 세라믹, 그리고 기타가 있으며 이번 촉매의 세라믹은 질화물이다.

세라믹은 여러 구성 성분들의 장점을 활용해 우수한 소재를 만들 수 있지만 높은 취성과 가공성 및 공정 과정이 복잡하다. 다만 최근 기술 발달로 이러한 단점들을 극복하고 있다.

연구팀은 촉매 성능을 1000회 반복 테스트로 확인한 결과 기존 활성탄보다 촉매 성능이 20% 증가, 그리고 내구성이 3.5배 이상 높아졌다고 밝혔다. 

연구팀 조성범 박사는 “수소자동차 연료전지용 촉매 설계에 있어 새로운 척도를 제공할 것으로 기대된다”라고 말했다.