원자력연, 백금 사용 반으로 줄인 수소연료전지 촉매 제조기술 개발

- 원자력연, 백금저감 수소연료전지용 촉매 제조기술 개발 -

- 상용화 위해 ㈜제브에 기술이전 마쳐 -

□ 국내 연구진이 전자선을 활용해 고가의 백금을 기존 대비 절반 가량만 사용하고도 고품질의 성능을 구현하고 대량생산까지 가능한 연료전지 촉매 제조기술을 개발했다. 개발된 기술은 업체 이전을 통해 본격적으로 상용화 될 전망이다.

 ㅇ 한국원자력연구원(원장 주한규)은 ‘백금저감 수소연료전지용 촉매 제조기술’을 ㈜제브(대표 하태성)에 이전하는 기술실시계약을 체결했다고 8일 밝혔다. 정액기술료 5천만 원에 매출액의 1%를 경상기술료로 받는 조건이다. ㈜제브는 전자선 및 X선 조사, 전자선가속기 설치 운영, 개인피폭선량(중성자) 측정 서비스 등을 전문으로하는 기업이다. 

□ 이전 기술은 한국원자력연구원 하나로이용부 엄영랑 박사 연구팀이 전자선을 활용해 백금 사용량을 기존 대비 40% 줄이면서 대량생산이 가능한 코어(중심)-쉘(껍데기) 구조의 수소연료전지용 촉매 제조기술이다.

 ㅇ 연구팀은 10MeV(메가전자볼트), 80k㏉(킬로그레이)의 전자선을 철 전구체(*)가 녹아 있는 용액에 3분간 조사한 다음, 백금 전구체를 추가하고 40k㏉의 전자선을 1분간 조사해 중심(철)을 감싸고 있는 껍데기(백금) 구조의 촉매를 제조했다.

   * 전구체(前驅體) : 화학반응 등을 통한 최종 단계의 물질을 얻기 전 중간 단계의 물질

□ 수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기와 열을 생산한다. 그 중 고분자전해질 연료전지는 발전장치 구성 시 부피와 무게가 크게 증가하지 않아 모빌리티에 많이 적용되고 있다. 이러한 연료전지의 촉매로 백금-탄소 복합체가 사용되는데, 백금의 비싼 가격과 약한 내구성으로 인해 대체물질에 관한 연구가 한창이다.

 ㅇ 일반적인 수소연료전지용 촉매 제조 방법은 전기 도금법이나 초음파를 활용한 공정 등이 있다. 이 경우 용매 또는 전구체 종류 선정이 까다롭거나 가스의 압력을 조절하며 입자 배열을 조정하는 특수 열처리를 하기 때문에 제조시간이 오래 걸려 대량생산이 어렵다는 문제가 있다.

 ㅇ 이에 비해 전자선 조사법은 용매나 전구체 종류에 상관없이 용액에 전자선을 조사했을 때 1~3분 이내에 화학반응이 이뤄지며 대용량 전기로를 사용한 단순 열처리만으로도 제조가 가능하다. 전자선은 파장이 짧고 에너지 효율이 높은 방사선으로 물질에 쪼였을 때 산화-환원 반응이 빠르게 진행된다. 

 ㅇ 이번에 개발된 기술은 10MeV(메가전자볼트)급 고에너지 전자선을 활용하기 때문에 한 번 조사할 때마다 50ℓ 정도의 대용량 조사가 가능해 기존 그램(g) 단위에 비해 킬로그램(㎏) 수준의 촉매를 제조할 수 있다. 전자선을 활용한 촉매 제조기술은 이전에도 있었으나, 저에너지 전자선을 사용했기 때문에 용매 내 투과력이 약해 소량 생산에만 적용할 수 있다는 한계가 있었다.

□ 원자력연구원은 기술 상용화를 목표로 ㈜제브, 중앙대학교 등과 협력해 시제품 제작, 분말특성 평가 및 전기화학적 성능평가 등을 진행했다.

ㅇ 이번 기술은 연구원 하나로이용부 엄영랑 책임연구원을 중심으로 2020년부터 과학기술정보통신부 방사선고부가신소재사업의 지원을 받아 개발됐다.

□ 한국원자력연구원 하나로양자과학연구소 정영욱 소장은 “이번에 개발된 기술을 통해 탄소중립을 실현하기 위한 수소연료전지 상용화에 이바지 할 것”이라며 “앞으로도 지구의 미래를 위한 방사선 기술 개발에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.