김범준(45) 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수는 탄소 지지체 합성 기술 수준을 높이는 방식으로 현재 연료전지의 핵심 소재이나 가격이 매우 비싼 ‘백금’을 기존 방식보다 불과 5%만 쓰고도 오히려 연료전지의 내구성을 높일 수 있는 기술을 제시했다.

 

그의 연구팀은 간단한 공정으로 높은 내구성을 가지는 블록 공중합체 탄화입자를 제작해 고성능 연료전지 개발했다. 블록 공중합체는 두 개의 서로 다른 고분자를 연결한 사슬 구조로 사슬 간 반발력과 인력이 작용해 다양한 나노 구조를 효과적으로 만들 수 있다.

 

김 교수의 말에 따르면 연료전지가 시장에서 경쟁력을 갖추려면 ‘성능, 내구성, 가격’ 세 가지 조건을 충족해야 한다고 말하며 먼저 고내구성은 강산성 조건에서 작동하는 연료전지의 탄소 입자 안에 백금촉매가 안정함을 의미하고 반응이 일어나는 탄소 입자 내부에 존재하는 촉매까지 반응물과 생성물이 원활하게 이동해야 한다고 전했다.

 

이에 김 교수팀이 제작한 탄소 입자는 넓은 표면적의 나노채널 형태의 구조로 반응물/생성물의 원활한 이동이 가능하고, 연료전지 촉매(백금)에 자발적으로 얇은 탄소 막이 형성되면서 높은 내구성을 보이는 것이 특징이다. 더불어, 기존 상용화된 촉매의 1/20양에 불과한 극소량(1wt%)의 백금을 사용하면서도 더 우수한 전력 밀도를 보여 높은 경제성도 확보하였다. 즉, 이번 연구를 통해 가격과 성능 면에서 세계 최고의 결과를 얻음으로써 수소-연료전지 상용화의 가장 큰 걸림돌인 값비싼 백금촉매의 사용량을 줄이고 상용화로 가는 중요한 단서를 제시한 것이다.

 

 

김 교수는 구조 및 특성이 제어된 탄화입자를 대량으로 제작하기 위해 구조가 제어된 블록 공중합체 입자를 먼저 만들고, 이를 고내구성의 탄화입자로 바꾸는 전략이 주효했던 것 같다고 전했다. 연구팀은 고기능 분리막을 이용한 멤브레인 에멀전 방법으로 높은 내구성의 탄화입자를 대량 생산하는 플랫폼을 개발, 연료전지 환원극과 태양전지 등의 고성능 에너지 소자를 개발했다. 멤브레인 에멀전은 고분자 입자를 용액상에서 쉽게 만들 수 있는 기술로 멤브레인을 통해 원하는 크기의 균일한 고분자 입자만을 선택해 고품질의 입자를 대량으로 얻어낼 수 있다. 연료전지 전극 등 여러 에너지 변환 장치에 사용되는 고분자 탄화입자는 입자의 모양과 내부구조에 따라 성능과 신뢰성이 좌우된다.

 

김 교수는 “모양과 내부 구조가 조절된 탄화입자를 대량 생산할 수 있는 플랫폼 기술을 구현하고 내구성과 경제성이 뛰어난 고성능 연료전지를 개발했다”라며 “연료전지뿐 아니라 태양전지·이차전지 등 여러 에너지 소자의 성능과 내구성 향상을 이끌 것”이라고 기대했다.