그래핀으로 보호된 수소 연료 전지, 트럭 효율성 향상

UCLA와 캘리포니아대학교 어바인 캠퍼스 연구진은 수소 연료전지의 백금 입자를 작은 그래핀 주머니로 감싸 보호하는 촉매를 개발했다. 가속 전압 시험에서 9만 회를 반복한 뒤 출력 감소는 1.1% 미만이었다. 20만 시간을 넘는 수명은 이 시험에서 계산한 예상치이며, 실제 트럭이 그만큼 운행했다는 뜻은 아니다.

대형 화물차에서 수소를 검토하는 이유

연료전지는 수소의 화학 에너지를 전기로 바꾸고 차량 운행 중 물을 배출한다. 장거리 운행과 적재량, 재급유 시간 때문에 일부 화물차 노선에서 수소를 고려할 수 있다. 그렇다고 배터리 전기 트럭이 모든 용도에 부적합한 것은 아니다. 노선, 에너지 가격, 충전 및 수소 공급망에 따라 적합한 방식이 달라진다. 수소를 생산하고 운송하는 과정의 배출량도 따져야 한다.

촉매 내구성의 문제

고분자 전해질막 연료전지는 반응 속도를 높이는 촉매가 필요하다. 백금과 백금 합금은 전압 변화가 반복되면 활성도가 떨어질 수 있다. 미국 에너지부가 제시한 대형 차량용 장기 목표는 연료전지 시스템 전체의 3만 시간 수명이다. 촉매 하나의 추정 수명과 수소 탱크 등을 포함한 전체 시스템 수명은 서로 다르다.

그래핀 주머니 안의 백금

Nature Nanotechnology 논문에서 순수 백금의 미세 입자를 그래핀 주머니 안에 넣고 다공성 Ketjenblack 탄소로 받쳤다. 이 구조는 입자가 이동하거나 뭉치는 것을 줄이면서 반응 표면은 사용할 수 있게 하려는 것이다. 백금이 필요 없는 상용 연료전지를 만든 연구는 아니다.

출처: UCLA 황 연구팀

측정 결과와 수명 추정

UCLA 발표에 따르면 실험용 셀의 출력 밀도는 약 1.08 W/cm², 최고 효율은 71.9%였다. 9만 회의 가속 구형파 전압 시험 뒤 출력 손실은 1.1% 미만이었다. 연구진은 이 결과에서 20만 시간 이상의 잠재 수명을 전망했다. 연료전지를 실제 도로에서 20만 시간 사용한 것은 아니며 차량의 다른 부품이 같은 기간 견딘다는 사실도 확인하지 않았다.

관련 특허가 출원됐다. 출시 시기를 판단하려면 전체 시스템 실험, 대량 제조 연구, 비용 비교가 필요하다. 이전 기사의 ‘5~10년 안에 상용화’나 전국 수소 충전망이 전기 충전망보다 반드시 저렴하다는 주장은 연구로 입증되지 않았다.

가능한 활용과 환경 영향

장거리 화물차, 건설 장비, 고정식 발전기 등이 잠재적 사용처지만 각각 별도의 평가가 필요하다. 차량에서 물이 배출된다고 수소의 전 공급 과정이 탄소 배출 없이 이루어지는 것은 아니다. 생산 방식과 운송, 가격, 저장 안전성이 중요하다.

린데와 수소 시장

린데 (LIN )는 수소를 포함한 산업용 가스를 생산하고 공급한다. 이 촉매 연구의 저자나 발표된 공동 연구 기업은 아니다. 따라서 대학 연구가 린데 매출이나 주가에 직접 영향을 준다는 근거가 없으며, 기존 기사의 오래된 시장 수치는 삭제했다.

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결론

그래핀으로 보호한 촉매는 가속 시험에서 유망한 내구성을 보였다. 매우 긴 수명은 여전히 실험 결과에 근거한 추정치다. 실제 화물차에 도움이 되는지는 전체 시스템과 운행 시험 및 수소 공급망의 조건에 달려 있다.

연구 및 출처

Z. Liu 외, “Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications”, Nature Nanotechnology 20, 807–814 (2025); UCLA, 2025년 4월 25일.