반도체 공정 기반 고내구성 연료전지 촉매 개발
연료전지의 촉매 지지체 부식과 낮은 전기전도도 문제를 안정적인 산화물 지지체와 플라즈마 전처리 기술로 해결하였다.
나아가, 반도체 공정의 원자층 증착법(ALD)을 활용해 기존 대비 효율을 70% 향상시키고
성능을 98% 수준으로 유지함으로써, 연료전지 상용화 가속화와 글로벌 경쟁력 확보에 기여할 것으로 기대된다.
| 사업명 | 신재생에너지 핵심기술 개발 |
|---|---|
| 부처명 | 산업통상자원부 |
| 세부분야 | 신재생에너지 |
| 세부과제명 | 500℃ 운전용 박막 기반 고체산화물 연료전지 셀스택 개발 |
| 성과명 | 반도체 공정 기반 고내구성 연료전지 촉매 개발 |
| 연구자명 | 심준형 |
| 소속기관 | 고려대학교 |
| 성과내용 |
본 연구에서는 연료전지 촉매의 지지체로 안정적인 산화물을 사용함으로써 운전 중 발생하는 지지체 부식 문제를 해결하였다. 또한, 산화물의 낮은 전기전도도라는 고질적 문제를 플라즈마 전처리 과정을 통해 극복하였다. 이와 함께, 반도체 양산 공정에 사용되고 있는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 활용하여 산화물 지지체 위에 초박막 촉매층을 코팅, 입자 크기와 분산성을 최적화하여 기존 대비 70% 향상된 촉매 활용 효율을 달성하였다. 특히, 제작된 촉매를 연료전지에 적용하고 시동/정지 구동 상황을 모사한 내구 평가 결과, 상용 촉매는 초기 성능 대비 연료 부족 환경에서 성능이 1/4로 감소한 반면, 본 연구의 촉매는 초기 대비 98% 수준의 성능을 유지하였다. 또한, 반복적인 시동/정지 상황에서 26% 향상된 내구성을 입증하였다. 이는 본 연구가 화학적 부식에 강한 연료전지 개발과 촉매 제작 비용의 최소화에 기여했다는 의의를 가진다. 이 연구 성과는 단순히 연료전지 문제 해결에 그치지 않고, 관련 산업에도 긍정적인 파급 효과를 가져올 것으로 예상된다. 연료전지 시스템의 가격 절감 및 안정성 향상은 발전소, 건물, 모빌리티 등 다양한 에너지 분야의 상용화를 가속화할 것으로 기대된다. 더 나아가 우리나라가 글로벌 기술 우위를 보유한 반도체 생산 공정을 미래 유망 분야인 에너지 분야에 접목함으로써 국가 산업 발전의 시너지를 창출하고, 글로벌 기술 경쟁력을 재고하며, 수소 및 신재생에너지 시장을 선점하여 사회적, 경제적 초격차 가치 창출에 이바지할 것이다. |
|---|---|
| 대표성과 | [논문] "Atomic layer deposited platinum on tungsten oxide support as high performance hybrid catalysts for polymer electrolyte membrane fuel cells" Applied Catalysis B: Environmental, 337, 122956 (2023) (IF=22.1) |
성과내용
문제 발생 : 연료전지 촉매 지지체의 부식
연료전지는 정상 구동 상태에서는 높은 내구성을 보이지만, 반복적인 시동/정지 및 수소 연료 부족 환경에서의 실제 구동 시에는 열화가 가속되는 문제가 발생한다.
이러한 열화는 주로 연료전지 촉매 지지체의 화학적 부식에서 비롯된다.
특히 과도한 부하 변화로 수소 연료가 순간적으로 부족해질 때 지지체는 스택 내부의 물과 반응하여 필요한 전력을 충족시키며, 시동/정지 시 연료극으로의 공기 침투로 전위가 1.5V를 초과하면 산화 환경에 노출되어 부식이 심화된다.
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과도한 부하 변화 시 지지체는 스택 내부의 물과 반응하여 필요한 전력을 충족
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시동/정지 시 연로극으로의 공기 침투로 인해 전위가 1.5V 초과
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산화 환경에 노출되어 부식 심화
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부식된 탄소지지체에서 촉매입자 분리
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미세입자들이 큰 입자와 뭉쳐지면서 성능 감소
그 결과 촉매 입자는 부식된 탄소 지지체에서 분리되고, 용해된 미세 입자들이 오스왈드 응집 현상(Ostwald ripening)으로 큰 입자로 뭉치면서 전기화학 반응 면적이 감소하고 반응물 전달이 저해되어 성능이 크게 떨어진다.
문제 해결 : 텅스텐 산화물을 활용한 촉매 지지체
이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 산성 환경에서 내식성을 지닌 텅스텐 산화물(WO₃)을 촉매 지지체로 사용하였다.
텅스텐은 촉매와 결합할 때 시너지 효과를 발휘할 수 있는 금속 재료로, 연료전지로 유입된 수소가스가 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리될 때 WO₃이 존재하면 HxWO₃ 형태의 텅스텐 브론즈가 생성되는 수소 파급 현상이 일어난다.
이 HxWO₃는 수소 저장소 역할을 하여 수소 부족 시 역반응을 통해 전력 수요에 대응하는 능력을 높이고, 동시에 연료극으로 유입되거나 막을 통해 넘어오는 산소 분자를 포집해 전위를 안정화함으로써 부식을 억제한다.
다만 WO₃을 그대로 전극에 사용할 경우 낮은 전기전도성으로 초기 성능 저하가 발생할 수 있다.
이에 본 연구진은 아르곤 플라즈마 표면 처리를 통해 WO₃ 내 산소 정공을 생성하여 전도도를 향상시켰다.
플라즈마 처리로 자유 전자가 증가해 전기전도성이 N형 반도체와 유사하게 개선되었고, 약 10^6(10의 6승)배 이상의 전기전도도 향상을 확보하였다.
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기존
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100만 배 향상
플라즈마 처리 후
더 나아가 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 도입해 반응성이 높은 플라즈마를 반응물로 사용함으로써 저온에서도 균일 분포의 고순도 촉매를 합성하고, 적은 사용량으로도 촉매 활성도를 극대화하였다.
연구 의의
이렇게 제작한 촉매를 연료전지 셀에 적용해 실제 구동을 모사한 내구성 평가를 수행한 결과, 연료 부족 환경에서 상용 촉매는 초기 대비 성능이 1/4로 감소한 반면, 제작된 촉매는 초기 대비 98% 수준의 성능을 유지했다. 또한 반복적인 시동/정지 상황에서도 내구성이 26% 향상됨을 확인하였다.
본 연구는 비탄소계 지지체 기반의 부식 저항성과 촉매 사용 최소화를 동시에 달성한 연료전지 기술로, 장기 구동 안정성을 확보하여 발전소·건물·모빌리티 등 다양한 분야에 적용 가능하며, 수소 경제 시대의 조기 실현에 기여할 것으로 기대된다.
관련항목
우수성 및 차별성
연료전지 촉매 합성 과정에 플라즈마 표면처리를 도입해 금속 산화물의 낮은 전기전도도 한계를 해결했고, ALD 공정을 활용해 나노 촉매 입자 크기를 정밀하게 조절함으로써 적용 분야별 최적화 기술을 확보하였다. 이를 통해 촉매 효율을 높이고 성능과 안정성을 동시에 극대화했다.
실제 구동 상황을 모사한 상용 촉매 대비 비교 평가에서, 급속 시동 및 연료 부족 상황에서 역전압 도달 시간을 15초 이상 연장하고 안정적인 성능 유지 능력을 입증했다.
특히, 비가역적 셀 손상이 발생하기 시작하는 시점이 상용 촉매 대비 약 21배 지연되는 것으로 나타났으며, 반복적인 시동·정지 사이클과 고온·건조 환경에서도 형상을 안정적으로 유지하였다.
아울러 WO₃의 내식성·친수성 및 수소 파급 효과를 활용하여 고내구성 연료전지 셀 및 스택 구현의 가능성을 확인하였다.
연구개발효과
기존 액적 공정 대신 건식 공정인 ALD를 적용함으로써 연료전지 촉매의 생산성과 비용 효율성을 높였다
연료전지를 구성하는 핵심 소재의 원천 기술 확보가 중요한 시점에서 금속 산화물 지지체를 활용한 이 새로운 연구 방향은 연료전지 기술 발전을 촉진할 것으로 기대된다.
더 나아가 개발된 기술은 수전해와 차세대 연료전지 등 관련 분야에도 폭넓게 응용될 수 있어 수소 에너지 기반의 미래 산업 도약을 앞당길 것으로 예상된다.
이는 환경 친화적이고 지속 가능한 에너지 솔루션을 제공함으로써 사회·경제적 가치 창출에도 크게 기여할 것이다.
경제사회적 파급효과
세계 각국은 2015년 파리기후협정 이후 온실가스 감축에 주력하고 있으며, 우리나라도 2050 탄소중립을 추진 중이다.
이러한 흐름 속에서 수소 연료전지는 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 핵심 수단이 될 수 있다.
본 연구는 연료전지 전체 생산 비용의 약 40%를 차지하는 촉매 비용을 30% 이상 절감하고, 가혹한 구동 환경에서 내구성을 26% 향상시키는 성과를 거두었다.
이는 연료전지의 상용화를 가로막던 주요 장애물을 해소하는 열쇠가 될 것이다.
나아가 우리나라가 글로벌 기술 우위를 보유한 반도체 생산 공정을 에너지 분야에 접목함으로써 국가 산업의 시너지를 창출하고, 글로벌 기술 경쟁력을 제고하며, 수소 및 신재생에너지 시장을 선점해 사회·경제적 초격차 가치 창출에 이바지할 것이다.
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