물을 전기분해해 수소와 산소를 만드는 수전해와, 역반응인 전력생산 기능을 함께 갖춘 ‘일체형 재생 연료전지’는 태양광·풍력 등에서 발생하는 유휴 전력을 친환경 수소로 저장했다가 필요할 때 재사용할 수 있다. 하지만 산소 발생 및 환원 반응에 필요한 촉매의 높은 가격이 상용화의 걸림돌이었다.

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 밝혔다. 이 기술은 연료전지의 수소 및 산소 발생 전극으로 사용했을 때도 안정적인 성능을 보여 수전해·전력생산 일체형 재생 연료전지의 현실화를 앞당기게 될 것으로 전망되고 있다.

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)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.

(A, B) 기존 방법을 통해 형성된 평평한 물 산화촉매 (IrO2)
(C, D) 본 연구를 통해 형성된 반원형태의 고효율 저담지 물 산화 촉매(IrO2/Pt)

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 수행, 에너지 환경 분야 국제 저널인 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ (IF: 14.229, JCR 분야 상위 0.962%) 최신 호에 게재됐다.

* (논문명) Low-loading IrO2 Supported on Pt for Catalysis of PEM Water Electrolysis and Regenerative Fuel Cells

– (제 1저자) 한국과학기술연구원 임아연 박사과정

– (교신저자) 한국과학기술연구원 박현서 책임연구원

– (교신저자) 서울대학교 화학생물공학부 성영은 교수