AI가 수소연료 전지 촉매를 찾다!

□ ‘수소연료 전지와 촉매?’

현재 산업계에서 가장 큰 주목을 받는 것은 단연 탄소중립과 디지털화이지 않을까 싶은데요. 특히 탄소중립과 관련해 수송 분야에서는 대체 연료의 중요성이 강조되고 있습니다. 따라서 수소연료 전지(hydrogen fuel cell)에 대한 관심도 더욱 올라가고 있으며, 현재 자동차 분야에서 많이 쓰이고 있기도 한데요. 그렇다면 수소연료 전지는 무엇일까요?

 

< 수소연료 전지의 원리, 출처 : 위키미디어, https://commons.wikimedia.org/wiki >

 수소연료 전지는 수소와 산소가 반응해 물이 되는 과정인 를 이용합니다. 즉, 위 화학반응에서 수소가 가진 에너지가 전기 에너지로 변환되며 생기는 전압을 이용하는 것이지요. 위의 식에서 알 수 있듯, 환경오염을 일으키는 물질인 이산화탄소 등이 발생하지 않아 친환경적이며, 효율이 좋다는 특징이 있습니다.

 즉, 수소연료 전지는 수소와 산소의 산화·환원 반응이 일어나야 전기에너지를 만들 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 하지만 연료전지에서 화학 반응의 속도는 매우 느리기에 반응 속도를 빠르게 만들어줄 촉매를 필요로 하게 됩니다. 따라서 현재 수소연료 전지에는 전극에 다량의 백금 촉매가 사용되지만, 가격이 높고, 내구성이 약하다는 문제가 있습니다.

 

□ ‘AI, 수소연료 전지의 촉매를 찾다?!’

이러한 새로운 촉매를 찾는 소재 개발 분야는 방대한 양의 원소 조합과 조성을 실험해야 하므로 많은 시간이 필요합니다. 하지만 그렇기에 인공지능의 활용 효과가 가장 기대되는 분야이기도 합니다.

 

< 인공지능 기반 수소연료전지 촉매 설계 연구의 요약 도식도 출처 : 한국과학기술연구원(KIST), https://www.kist.re.kr/ko/index.do >

 

한국과학기술연구원(KIST)의 김동훈 선임연구원 연구팀은 AI를 이용해 순수 백금 촉매보다 저렴하고, 성능은 2배 이상 높은 삼원소계(Cu-Au-Pt) 합금 신규 촉매 소재를 개발하였습니다. 해당 촉매는 기존에 사용되던 순수 백금 촉매보다 백금 원소를 37%만 사용하여, 가격이 1천분의 1에 불과할 만큼 저렴하게 됩니다. 하지만 반응전류밀도는 2배 이상 높게 나왔으며, 안정성 테스트 또한 5천 회를 거쳐도 성능 열화가 발생하지 않았다고 합니다.

 

< 인공지능 모델 개발에 사용된 KIST 계산과학연구센터 서버팜 및 고성능 GPU 출처 : 한국과학기술연구원(KIST),  https://www.kist.re.kr/ko/index.do >

연구팀은 촉매구조 그래프 합성곱 신경망(SGCNN) AI 모델을 개발하였고, 이를 통해 안정성, 성능, 비용을 모두 충족하는 촉매를 효율적으로 선별하였습니다. 그리고 기존 예측에 사용되던 방법으로는 수천 시간이 걸리는 약 3천 200개의 후보 소재들의 가능성에 대한 계산을 하루 만에 탐색한 것이지요.

□  ‘다양한 조합에 강한 AI’

이런 소재 개발 분야 이외에도 복합위해성을 예측하는 한국화학연구원의 MRA Toolbox와 같이 AI를 이용한 조성에 따른 예측 모델, 한국해양과학기술원의 해무 예측 서비스 등과 같이 다양한 조합과 계산이 필요한 분야에서 AI가 사용되고 있습니다. AI는 단순히 개인의 취향을 위한 추천에서 더 나아가 이미 많은 기술개발 분야에서도 사용되는 요소이지요. 다양한 조합에 강한 AI는 또 어떤 과학 기술 분야에서 활약하게 될까요? 이상 SNS기자단 8기 구나현 기자였습니다.\

 

 

 

[출처] 

- 에너지 지식정보 <수소연료전지>,

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6654535&cid=70129&categoryId=70129

- <경제성·안정성 다 잡은 수소연료전지 촉매 개발>, 동아사이언스, 2023.01.15.

- <수소차 연료전지 백금 촉매, 1천분의 1로 싸진다>, ZDNET Korea, 2023.08.22.

- <AI가 수소차 연료전지 촉매 대체물질 찾는다>, ZDNET Korea, 2023.09.05.