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‘저비용·고성능 나노 구조 연료전지 촉매 개발’ 선구자 KIST 유성종 박사
‘저비용·고성능 나노 구조 연료전지 촉매 개발’ 선구자 KIST 유성종 박사
  • 이경원 기자
  • 승인 2019.04.02 15:27
  • 댓글 0
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비싼 ‘백금’ 사용 줄여 수소차 가격 확 낮춘다
KIST 수소연료전지 연구단 유성종 박사.<KIST>

최근 현대자동차가 정부와 함께 수소차 시대를 주도하는 모양새다. 문재인 대통령은 수소차 ‘넥쏘’를 시승하며 직접 홍보대사를 자처했다. 정부는 2040년까지 수소차 생산을 620만대까지 늘리겠다는 장기 비전을 제시했 다. 미래 수소경제사회로 가기 위해 반드시 해결해야 하는 것은 수소생산을 보다 저렴하면서 효율적으로 할 수 있는 기반기술을 만드는 일이다. 수소차 확대에 있어도 대당 7000만원이 넘는 비싼 가격이 걸림돌이 되고 있다. 이는 연료전지 가격이 자동차 값의 절반을 넘게 차지하고 있는 까닭이다.

현재 수소생산은 물의 전기분해를 통해 이뤄지는데, 충분한 방전량을 구현하기 위해서는 촉매 사용이 필수적 이다. 문제는 주기율표 118개의 원소 중에 고출력의 수소 생산에 필요한 촉매는 고가의 귀금속인 ‘백금’ 하나뿐 이라는 것이다. 현재 기술 수준으로 중형급 수소 연료전지 자동차 한대에 들어가는 연료전지 내 촉매 가격은 전 체 가격의 10%에 달한다. 지난 200여 년 간 수많은 연구진이 백금을 대체할 촉매 연구를 했지만 아직까지 별다른 묘책이 없는 상황이다. 결국 업계에서는 백금의 사용을 최소화하면서 성능을 높이는 방향으로 나아가고 있다.

지난 3월 22일 서울 성북구에 위치한 한국과학기술원(KIST) 연구실에서 수소연료전지연구단 유성종 박사를 만 나 ‘저비용·고성능 나노 구조 연료전지 촉매’에 대해 들었다. 유 박사는 20여 년 간 수소연료전지 연구를 진행하 는 동안 최근이 가장 바쁘다고 했다. 그만큼 업계의 관심이 크다는 얘기다. 그는 “저가의 촉매를 개발할 수 있다 면 수소경제의 큰 버팀목이 될 것”이라며 “고출력·고내구성 저가 촉매 개발 기술의 원천기술 확보로 연료전지 상용화에 크게 이바지 할 것으로 예상한다”며 기대감을 나타냈다.

 

-수소차의 구동 원리는 어떻게 되나요?

“수소차는 전기차와 구조는 거의 비슷하나 배터리 대신 수소연료전지를 동력원으로 삼는다는 점이 다릅니다. 전기차는 발전소에서 만들어진 전기를 배터리에 충전해 사용하고, 수소차는 수소를 충전해 차 내부의 연료전지에서 전기를 만들어 사용합니다. 수소연료전지란 수소와 산소의 화학반응을 통해 열과 에너지를 얻는 장치입니다. 수소는 산소와 결합해 물로 변환하면서 많은 에너지(전기·열)를 방출합니다. 수소의 단위부피당 발열량은 탄화수소 등에 비해 낮지만 단위 중량당 발열량은 약 세배 정도 높습니다. 같은 무게라면 화석연료보다 세배 가까운 에너지를 얻을 수 있다는 의미입니다.”

-업계에서 수소차에 대한 기대감이 높은 이유는 뭔가요?

“전기자동차 배터리로 수요가 급증하고 있는 2차전지 양극재 원재료 가격이 지속적으로 상승하면서 수급대란이 우려됨에 따라 원소재 고갈이나 가격 변동 이슈에서 자유로운 수소연료전지가 대안으로 관심을 끌게 된 것이죠. 수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기·열·물을 생성하기 때문에 2차전지가 갖고 있는 원재료 수급 불안으로부터 자유롭다는 평가입니다. 최근 태양광, 풍력 등과 같은 재생에너지에 대한 수요 확대로 수소차의 핵심인 수소연료전지가 각광을 받고 있는 이유도 있습니다. 문재인 정부는 2030년까지 재생에너지 발전량을 20%까지 늘리는 정책을 강력하게 추진하고 있습니다. 현재 재생에너지와 결합된 ESS 장치를 활용해 안정적인 전력을 유지하고자 하지만 잉여 전력이 대규모로 발생하면 2차전지로는 한계가 있다는 지적이 있습니다. 이에 대한 대안으로 업계에서는 수소연료전지를 이용한 발전 시스템에도 많은 기대감을 갖는 것 같습니다. 다른 한편으로 환경문제에 대한 관심 증폭으로 수소차를 보는 시각이 많습니다. 자동차 업계에 따르면 폭스바겐 디젤게이트, 미세먼지 대책 등의 여파로 수소차 시대에 대한 기대감이 커지고 있는 상황이라고 할 수 있습니다.”

-수소차는 어떤 면에서 친환경적인가요?

“수소차는 배기가스가 배출되지 않으며 미세먼지까지 제거할 수 있는 고성능 공기필터를 탑재했습니다. 자동차에서 오염물질이 나오는 것이 아니라 오히려 공기가 정화되는 것입니다. 달리는 공기청정기로 불리는 등 수소차는 미래자동차 시장을 이끌어갈 친환경차로 평가받고 있습니다. 하지만 수소차의 연료인 수소를 생산하는 과정에서는 과제가 있습니다. 현재 수소충전소 핵심인 부생수소는 석유 정제 과정에서 생산하는데, 이 과정에서 유해물질이 많이 발생합니다. 이를 해결하기 위해서는 신재생에너지를 연계한 수전해 수소충전소를 개발해야 합니다. 다만 이 과정에는 막대한 비용이 들기 때문에 민간 분야의 지원이 필수적이라고 생각됩니다.”

-그럼에도 상용화에 어려움이 있습니다. 가장 먼저 개선돼야 하는 부분은 뭔가요?

“수소차 상용화에 걸림돌이 되는 요인으로는 수소차의 높은 가격과 수소충전소 인프라 부족 등을 꼽을 수 있습니다. 가장 먼저 개선돼야 하는 것이 높은 가격입니다. 수소차 상용화를 위해선 수소차 가격을 현 내연기관 수준으로 낮춰야 합니다. 수소차에는 고압 수소탱크 뿐만 아니라 수소연료전지가 들어 있어 일반 전기차에 비해서도 비쌉니다. 현대자동차는 지난해 4월 1회 충전만으로 580㎞를 달리는 수소차, 넥쏘를 출시했습니다. 넥쏘의 판매가격은 약 7000만원 수준으로 전기차 코나에 비해 2000만원 이상 높습니다. 정부와 지자체 보조금을 합하면 3000만원 중반대로 내려가지만, 보조금 없이는 구매하기 힘든 가격대입니다. 수소차 가격을 낮추기 위해선 전지부품의 핵심소재인 고분자 전해질막, 분리판, GDL(gas diffusion layer), 촉매의 가격을 낮추는 것이 급선무라고 할 수 있습니다. 일례로 도요타, 혼다 등 일본 주요 자동차 업체들이 2000년대 들어 개발한 수소차에 탑재하는 촉매인 백금 함유량을 최소화하는 전지 개발에 나섰음에도 수소차가 널리 보급되지 않은 것은 전지부품 가격이 워낙 비싸기 때문입니다. 정부와 현대차가 손잡고 대규모 투자에 나서고 있어 기술 개발이 가속화 된다면 가격대는 내려갈 가능성이 큽니다. 정부는 수소차 생산이 연간 3만5000대에 달하면 (보조금 후) 가격이 5000만원 수준으로, 10만대를 넘어서면 3000만원대까지 내려갈 것으로 예상하고 있습니다.”

-수소는 어떻게 만들어지나요?

“수소경제사회의 가장 큰 문제는 수소 생산입니다. 기존의 수소는 원유를 정유하면서 발생하는 부생가스를 이용하거나 천연가스 등에서 개질해 사용했습니다. 이는 사용할 수 있는 양이 매우 제한적이거나 완전한 이산화탄소 프리라고 하기는 어렵습니다. 결국 완전한 수소 생산은 물을 전기 분해해서 수소와 산소를 생산하는 것입니다. 다만 이 방법은 경비가 많이 든다는 단점을 지닙니다. 비싼 전기료와 아울러 수전해에 사용되는 촉매가 매우 비싸기 때문입니다.”

-현재 수소를 생산하는 데는 어떤 촉매가 사용되고 있나요?

“귀금속계 촉매인 고가의 백금계 촉매를 사용합니다.”

-기존 촉매는 어떤 한계점이 있나요?

“연료전지에 전극촉매로 사용되는 백금의 비싼 가격은 상용화를 가로막는 큰 장벽입니다. 또 현재 개발된 탄소 담지 백금 나노촉매는 상용화 기준에 못 미치는 산소환원반응 활성과 내구성을 보여 한계로 남아있습니다.”

-자동차 한 대에 들어가는 백금의 양은 얼마나 되나요?

“현재 수소차의 비용에 영향을 미치는 기술적 요인은, 수소와 산소의 반응을 가속화시키는 촉매입니다. 물론 촉매가 없어도 반응은 할 수 있지만, 충분한 방전량을 구현하기 위해서는 촉매가 필수입니다. 이 때 촉매로 사용되는 것이 백금입니다. 과거 현대자동차 투싼ix 수소차 한 대에 들어가는 백금의 양은 70g 정도였습니다. 그러나 현대자동차 넥쏘 수소차의 경우 40~50g, 도요타 미라이 수소차의 경우 30g, 가장 최근에 사용된 혼다 클래리티 수소차의 경우 11g 정도로 알려져 있습니다.”

-백금 가격이 수소차 단가에서 차지하는 비중은?

“연료전지나 초전도체 등에 활용도가 높은 백금은 산업용 금속이지만 전 세계 매장량이 순금의 25%에 그치고 은보다 고급스러운 은백색을 띠어 귀금속시장에서의 수요도 높습니다. 현재 백금 시세는 g당 4만~5만원대에 달합니다. 미래 에너지원인 수소를 동력으로 삼는 수소차에는 약 40~50g의 백금이 필요해 수소차 가격을 높이는 주원인으로 꼽힙니다. 수소차 한 대당 촉매 제조공정비용을 포함한 촉매 비용은 3650달러(약 410만원) 정도로 전지부품 비용의 40~45%를 차지합니다. 전체 수소차 판매가격에서 연료전지 비중은 7분의 1에 달합니다.”

-꼭 백금만 촉매로 사용할 수 있나요?

“현재 기술로는 그렇습니다. 백금을 대체할 촉매를 찾기 위해 지난 200여년 동안 많은 연구가 이뤄졌지만 주기율표 118개 원소 중 아직까지 고출력을 필요로 하는 분야에서는 백금을 대체할 수 있는 원소는 찾지 못했습니다.”

-수소 생산에 있어 촉매개발이 관건이라고 할 수 있겠군요.

“이 같은 수소 생산의 단점을 극복하기 위해 비교적 값이 저렴한 니켈, 몰리부데늄, 코발트, 망간 등과 같은 촉매를 나노 구조화해서 표면적을 극대화하고 촉매 활성도를 매우 높일 수 있는 촉매가 최근에 각광을 받고 있습니다. 아직 상용화 단계는 아니지만, 미래 수소경제사회에서 반드시 해결해야 하는 핵심 기술인 수소생산을 보다 저렴하면서 효율적으로 할 수 있는 기반기술이라고 할 수 있습니다. 수전해를 통한 수소생산의 핵심기술 개발은 앞으로 한국이 수소경제사회로 나아가는데 크게 기여할 것으로 보입니다.”

-촉매 개발에 관심을 두게 된 계기는요?

“촉매가 연료전지 기술의 핵심이라고 생각됩니다. 연료전지가 처음 발견되었을 때도 백금 촉매(전극)에서 우연히 발견됐으며, 이를 계기로 연료전지 발전이 시작됐습니다. 아이러니하게도 현재 연료전지 상용화의 걸림돌은 촉매입니다. 저가의 촉매만 개발 될 수 있다면, 수소경제의 큰 버팀목이 될 것으로 예상되는 연료전지의 상용화에 크게 이바지 할 것으로 생각돼 촉매 개발에 심혈을 기울이고 있습니다.”

<유성종>

 

-‘저비용·고성능 나노 구조 연료전지 촉매 개발’ 기술이란 무엇입니까?

“촉매의 나노 구조제어 기술을 활용해 연료전지에 사용되고 있는 고가의 백금 촉매를 아주 조금 사용하면서 성능을 높이기 위한 기술입니다. 저 역시 오랫동안 백금을 대체할 촉매에 대한 연구를 했지만 어려움이 있어 백금의 구조를 변화시켜 성능을 높이는 연구에 집중했습니다. 그 결과 정렬된 백금 스킨 구조를 갖는 백금-니켈 합금 촉매의 산소환원 반응의 활성 증대, 팔라듐-구리 코어 입자 위에 선택적으로 백금 쉘을 올리는 코어-쉘 새로운 합성법, 금속 전구체의 환원 전위를 이용한 백금-니켈 hollow 등 세 가지 디자인의 나노 입자 형성 메커니즘을 규명했습니다. 쉽게 말해 유무기 나노 하이브리드 표면 처리 기술과 ‘core-shell’ 기술, ‘hollow’ 기술을 적용해 촉매의 제조 단가를 낮추고 백금의 사용량을 최소화하는 고효율 연료전지 촉매를 개발한 것입니다.”

-이 기술을 적용할 경우, 현재 수소차 단가의 몇 %까지 낮출 수 있나요?

“수소차 한 대당 촉매 제조공정 비용을 포함한 촉매 비용은 3650달러(약 410만원) 정도로 전지부품 비용의 40~45%를 차지하고 있습니다. 백금을 10%만 사용한다면 수소차 전지 부품의 비용을 약 40%로 절감할 수 있습니다. 더욱이 수소차 생산 대수를 10배 이상 늘릴 수 있습니다.“

-성능은 어느 정도 개선되나요?

“기존 백금 사용량을 3분의 1로 줄이면서 5배의 성능을 발휘 할 수 있었습니다.”

-폭발 등 안전성에 대한 우려는 없나요?

“여전히 수소라 하면 폭발의 위험성부터 인지하게 되는데, 이런 인식의 전환도 필요합니다. 촉매는 특정한 반응 조건, 즉 수소와 산소가 만났을 때 위험하기 때문에 안전하다고 할 수 있습니다. 수소가 폭발하기 위해서는 1억도 이상의 열이 가해지거나, 수소가 90% 이상의 산소를 만나는 등의 특정한 반응 조건이 있어야 하는 것입니다. 수소차 충돌사고가 발생할 경우엔, 수소통의 수소가 자동으로 빠져나가게 구조화 돼 있습니다. 수소가 빠져나가 산소를 만난다 한들 대기 중의 20%의 산소와는 폭발을 일으키지 못합니다. 또한 수소는 원자 번호 1번으로 확산 속도가 매우 빠르기 때문에 현재 기술로도 모으기가 어려운 성질을 갖고 있습니다. 그만큼 산소와 만나기 힘든 것입니다. 현대차 넥쏘는 유럽의 신차 안전성 평가 프로그램인 유로 NCAP의 대형 오프로드 부문에서 2018년 최우수 차량에 선정되는 등 가장 안전한 SUV로 평가받고 있습니다. 현대차가 수소차를 개발하면서 가장 중점을 둔 부분도 바로 안전성입니다. 수소차 뿐만 아니라 수소충전소도 안전하다는 인식이 바탕이 된다면, 수소차시대로 한걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 보입니다.”

-기술개발 단계는 어디쯤 인가요?

“현재 상용화 가능하며, 기술이전 준비 단계에 있습니다.”

-개발하신 촉매 기술은 자동차 외에 또 어느 분야에 적용이 가능한가요?

“발전용 연료전지 촉매, 선박용 연료전지 촉매, 드론용 연료전지 촉매, 가정용 연료전지 촉매, 수전해 촉매, 전기화학적 탄소전환 촉매, 전기화학적 암모니아 생산 촉매에 사용될 수 있습니다.”

-미래 100대 기술로서 어떤 파급력을 가질 것으로 보시나요?

“고출력·고내구성 저가 촉매 개발기술의 원천기술 확보 및 국산화를 통해 연료전지 상용화에 이바지 할 것으로 예상됩니다. 또한 국내에서 고출력·고내구성 저가 촉매 제조기술을 성공적으로 개발되었기 때문에 선진 경쟁기술 대비 가격우위를 점할 수 있고, 기존의 에너지변환장치 시장을 확대시켜 신재생 에너지 활용 및 보급 등에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대합니다. 촉매 관련 기술개발은 에너지 산업의 근간이라서 관련 핵심기술의 국산화 및 기술적 선두그룹을 차지하면 국내 에너지산업 경쟁력을 전반적으로 향상시키는 효과가 있을 것으로 봅니다. 이 기술을 통해 연료전지 시스템의 다양화 및 저가격화 실현으로 공공분야 뿐만 아니라 민간에 대한 빠른 보급이 가능할 것이고, 연료전지 기술에 대한 친밀도 증대로 수소사회의 도래를 앞당길 수 있을 것입니다.”

인사이트코리아, INSIGHTKOREA