[공학저널 박인교 기자] 최근 수소 자동차, 그린 뉴딜, 수소경제 등 수소와 연료전지에 관련된 관심이 높아지고 있다.
특히 수소와 연료전지 분야는 기술적인 성숙도가 많이 향상돼 과거와는 다른 양상을 보이고 있다. 이는 환경적인 이슈로 필요성이 더욱 커졌기 때문이라고 볼 수 있다.
정부에서도 수소경제 로드맵을 발표하며 본격적인 수소경제 시대의 시작을 알리고 있다. 특히 화석연료를 대체하려고 하는 대부분의 모빌리티에서 수소연료전지는 눈에 띄게 발전했으며, 발전분야에서도 그린에너지로서 연료전지가 성장하고 있다.
이에 따라 효율을 극대화하기 위해 수소연료전지의 나노입자에 대한 연구가 활발해지고 있다.
나노입자의 크기와 촉매 반응성은 반비례의 관계를 가지고 있어 나노입자를 작게 만들수록 동일한 양의 촉매 반응성은 높아져서, 적은 양의 소재를 사용해도 높은 효율을 얻을 수 있다. 그 예로 수소연료전지 자동차에 필요한 백금의 양이 25g 정도인데 나노구조화된 백금입자의 크기를 반으로 줄이면 12.5g만 사용해도 같은 수준의 효율을 얻을 수 있는 것이다.
이에 따라 나노입자를 더욱 작게 만들어 비싼 금속 소재를 적게 쓰는 연구도 수행되고 있다. 하지만 작게 만들면서도 고른 크기의 입자를 만드는 것은 상당히 높은 난이도의 기술이다.
또한 나노촉매 입자가 작아질수록 입자의 응집을 억제하고 입자의 활성화율을 높이기위해서는 지지체의 표면특성을 제어하는 기술도 필요하다.
이에 최근 수소연료전지의 초미세나노입자 촉매 기술이 개발돼 화제가 되고 있다. 이 기술을 통해 기존 나노입자 촉매기술의 단점을 보완할 수 있을 것으로 예상된다.
기존 나노입자 촉매기술은 합성 조건이 까다롭고 고른 크기의 나노입자를 만들어내기 어려워 대량으로 제조하는데 많은 비용이 든다. 또한 촉매는 나노입자와 지지체로 구성되는데 나노입자를 지지체에 부착시켜야 하는데 이때 지지체에 따라 공정조건이 바뀌고 입자 표면을 감싸는 유기물들이 존재해 지지체에 부착하기가 매우 까다롭다.
특히 촉매 응용분야에 따라 합금 나노입자가 필요한데 기존 기술로는 합금화 시키면서 초미세나노입자화 시키는 것이 매우 어렵다는 단점을 가지고 있다.
초미세나노입자 촉매 기술은 기존 나노입자의 한계를 극복할 수 있는 합성 기술로 몇 가지 화학물질의 단순 교반작업만으로 2 나노미터의 고른 크기를 가지는 초미세나노입자와 초미세합금나노입자를 대량으로 합성할 수 있는 획기적인 기술이다.
이러한 초미세나노입자 합성 기술을 한국과학기술연구원(KIST)로부터 기술이전을 받은 ㈜금양은 첨가제를 생산하는 현재 세계시장 1등인 발포제 전문기업이다. 수소경제에서 모빌리티 산업 분야의 핵심 소재가 될 연료전지 촉매, 촉매를 기반으로 핵심 부품인 MEA(막전극접합체)와 스택 개발을 목표로 지난 10월에 ㈜금양이노베이션을 설립했다.
현재 KIST와 공동연구를 통해 상용화 기술을 빠르게 개발 진행하고 있다. 특히 기업과 KIST가 협력하는 ‘링킹랩’을 통해 공동연구를 더욱 활성화할 예정이다.
금양이노베이션 유덕영 연구소장은 “연구를 통해 수소 연료전지 자동차의 촉매사용량을 10g이하로 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대되고 있으며, 수소경제로의 진입이 더욱 가속화될 것으로 전망된다”며 “나노입자를 간단한 공정을 거쳐 균일한 입도분포로 합성할 수 있는 장점을 활용해 탄소, 실리카, 알루미나, 탄소나노튜브 등 다양한 지지체에 손쉽게 부착시킬 수 있어 다양한 촉매 응용이 가능한 기술이다”고 말했다.
앞으로 수소연료전지 분야는 연료전지 시스템으로 구동되는 드론과 도심형 항공기인 UAM 등의 모빌리티가 타 모빌리티 시스템보다 우위를 점할 것으로 예상된다. 또한 기존 내연기관을 대체해 친환경의 수소연료전지 승용차, 건설기계, 열차, 선박, 수소전기트램 등에 활용되고 있어 향후 전망은 매우 밝다는 것이 전문가들의 의견이다.
이와 함께 정책적으로 수소경제에 박차를 가하고 있어 수소산업의 활성화가 앞당겨질 것으로 예상된다.
유 소장은 “내년에는 촉매 pilot 라인을 구축하고, MEA pilot 라인을 구축할 수 있도록 R&D를 진행하고, 모회사인 ㈜금양과 협력해 소재와 부품기술을 적용할 시스템중의 하나로 수소연료전지선박을 계획하고 있다”며 “특히 KIST와 공동개발을 통해 혁신적이고 완성도 높은 기술을 개발할 것”이라고 전했다.
금양이노베이션은 이를 바탕으로 수소 연료전지 분야에서 세계적으로 경쟁력이 있는 소재와 부품 기업으로 성장하기 위해 노력을 기울일 예정이다.
November 24, 2020 at 07:35AM
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소량의 촉매 합성기술로, 수소연료전지 효율 끌어올린다 - 공학저널
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