수소차 연료전지 내 백금 사용량 최소화를 위한 기술 연구

수소차는 친환경 자동차의 대표 주자로 주목받고 있지만, 연료전지 시스템의 핵심 소재인 백금(Platinum) 사용량이 많다는 점에서 한계를 보이고 있습니다. 백금은 고가의 희소 금속으로, 연료전지 스택 제작비용의 상당 부분을 차지합니다. 이에 따라 수소차의 경제성을 개선하기 위해 백금 사용량을 줄이기 위한 다양한 기술 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이번 글에서는 수소차 연료전지 내 백금 사용량 최소화를 위한 주요 기술과 이를 통해 기대되는 효과를 살펴보겠습니다.

 

 

 

1. 연료전지의 백금 역할과 사용량의 한계

백금은 수소 연료전지에서 전기화학적 촉매 역할을 수행하며, 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 핵심 소재입니다. 특히, 연료전지의 음극과 양극에서 수소 이온(H+)과 산소의 반응 속도를 높이는 데 필수적입니다.

하지만 백금은 고가의 금속으로, 1g당 가격이 수십만 원에 이를 정도로 희소성이 높습니다. 수소차 한 대에 사용되는 연료전지 스택에는 약 30~50g의 백금이 필요하며, 이는 연료전지 제조 비용의 약 40%를 차지합니다. 결과적으로 백금의 높은 사용량은 수소차의 초기 구매 비용을 높이고, 대중화에 걸림돌이 되고 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 백금 사용량을 줄이는 기술 개발이 필수적으로 요구되고 있으며, 다양한 연구와 혁신적인 접근법이 제시되고 있습니다.

2. 백금 사용량 최소화를 위한 주요 기술

1) 비귀금속 촉매 개발

백금을 대체하기 위한 대표적인 기술로 비귀금속 촉매 개발이 있습니다. 최근 연구에서는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe)과 같은 저렴하고 풍부한 금속을 기반으로 한 촉매가 주목받고 있습니다. 특히, 그래핀(Graphene)과 같은 탄소 기반 소재와 결합한 비귀금속 촉매는 높은 촉매 활성도와 내구성을 보이며, 백금을 대체할 가능성을 보여주고 있습니다.

2) 백금-합금 촉매

백금 사용량을 줄이기 위해 백금을 다른 금속과 혼합한 합금 촉매가 개발되고 있습니다. 백금과 니켈, 백금과 코발트 등의 합금은 백금 사용량을 절반 이상 줄이면서도 높은 촉매 성능을 유지할 수 있습니다. 이러한 합금 촉매는 이미 일부 상용 연료전지에서 테스트되고 있으며, 비용 절감 효과를 입증하고 있습니다.

3) 백금 나노화 기술

백금을 나노입자 형태로 가공하여 표면적을 극대화하는 기술도 주목받고 있습니다. 나노화된 백금 입자는 동일한 양의 백금으로도 더 많은 반응 면적을 제공하므로, 촉매 성능을 유지하면서 사용량을 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 나노기술은 백금 입자의 크기와 분포를 정밀하게 제어해 반응 효율을 더욱 높일 수 있습니다.

4) 전극 구조 최적화

연료전지의 전극 구조를 개선하여 백금 사용량을 줄이는 방법도 연구되고 있습니다. 예를 들어, 전극 표면의 다공성 구조를 활용해 백금 입자의 활용 효율을 극대화하거나, 백금을 사용하지 않는 전극 설계를 통해 비용을 줄일 수 있습니다. 이 기술은 현재 많은 대학과 연구소에서 실험적으로 검증되고 있습니다.

3. 백금 사용량 감소의 기대 효과

백금 사용량을 줄이는 기술이 상용화되면 수소차의 제조 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다. 연료전지 스택의 비용 절감은 곧 수소차의 초기 구매 비용 감소로 이어져 대중화에 큰 기여를 할 것입니다.

또한, 백금 수요 감소는 희소 금속 채굴로 인한 환경 파괴를 줄이는 데도 기여할 수 있습니다. 백금 채굴 과정에서 발생하는 탄소 배출과 생태계 훼손 문제는 지속 가능성 측면에서 중요한 이슈로, 이를 해결하는 데 백금 사용량 감소 기술이 효과적인 역할을 할 수 있습니다.

마지막으로, 백금 의존도가 낮아지면 수소차 제조업체의 글로벌 공급망 안정성이 향상될 것입니다. 희소 금속의 가격 변동과 공급 리스크를 최소화함으로써 안정적인 생산과 시장 확장이 가능해질 것입니다.

결론

수소차 연료전지 내 백금 사용량 최소화를 위한 기술 개발은 수소차의 경제성과 지속 가능성을 높이는 데 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 비귀금속 촉매, 백금-합금 촉매, 나노화 기술, 전극 구조 최적화와 같은 혁신적인 접근법은 수소차의 대중화를 앞당기는 데 기여할 것입니다.

앞으로도 다양한 연구와 기술 개발이 이루어져, 수소차가 탄소중립 시대의 핵심 이동수단으로 자리 잡기를 기대합니다.