[선택적 전극촉매반응을 통한 자동차용 연료전지 내구성 향상]

자전거가 비에 젖으면 프레임과 체인 등이 부식되거나 녹이 슬어 오래 쓸 수 없게 된다. 이를 막기 위해 주기적으로 기름칠을 해줘야 한다. 전지(cell, 電池)는 이런 산화반응과 환원반응^*1이 분리되어 일어나도록 고안한 장치로 전자를 이동시켜 전기에너지를 만든다. 하지만 이 역시 산소를 만나면 부식된다. 전지에도 녹이 슬지 않도록 기름칠을 할 수 있을까?

신소재공학과 김용태 교수, 박사과정 정상문 씨 연구팀이 백금과 수소 텅스텐 브론즈를 결합시킨 촉매(Pt/HxWO3)를 사용해 수소차가 시동을 정지할 때 발생하는 연료전지의 부식 문제를 해결했다. 네이처의 자매지 ‘네이처 캐탈리시스(Nature Catalysis)‘의 표지논문으로 소개된 이 촉매는 수소 산화 반응은 촉진시키고, 산소 환원 반응은 선택적으로 억제하는 것으로 나타났다.

친환경 수소차의 보급이 늘어나면서 수소차의 심장인 연료전지 성능향상에 대한 연구개발 경쟁 또한 전 세계적으로 치열하다. 자동차용 연료전지는 잦은 시동 정지로 인해 한번 가동하면 멈추지 않는 발전용 연료전지와 비교하면 성능 열화가 심각하다. 시동을 정지할 때, 애노드^*2에 일시적으로 공기가 유입되면서 산소 환원 반응이 일어나고, 캐소드^*3의 전위가 순간적으로 높게 치솟으면서 캐소드 구성품의 부식이 가속되기 때문이다.

연구팀은 자동차용 연료전지에서 일어나는 내구성 저하 문제 해결을 위해 주위 환경에 따라 선택적으로 물질의 전도성을 변화시킬 수 있는 금속 부도체 상전이(Metal Insulator Transition, MIT) 현상^*4에 초점을 맞추어 연구를 진행했다.

특히 프로톤의 삽입 탈리^*5에 의해 전도성을 크게 변화시켜 전기 변색 소재로 활용되어 오던 텅스텐 산화물(WO3)에 주목했다. WO3의 MIT 현상을 활용할 경우, 정상적으로 운행하면 프로톤의 삽입에 의해 H-WO3(도체) 상을 유지하면서 전극반응을 일으키는 반면, 시동 정지를 할 때는 공기가 섞여 흡입돼 산소의 분압이 높아질 경우 부도체(WO3)로 전이하여 전극반응을 정지시킴으로써 캐소드 부식 문제를 해결했다.

금속-절연체 전이 현상에 의한 Pt/HxWO3 선택적 수소 산화 반응 촉매는 자동차용 연료전지 MEA 평가^*6에서 상용 Pt/C 촉매와 비교했을 때, 시동 정지 조건에서 기존 상용 촉매 소재 대비 2배 이상의 내구성을 나타냈다.

연구를 주도한 김용태 교수는 “이번 연구를 통해 자동차용 연료전지의 장시간 내구성을 획기적으로 향상시켰다”며, “수소차의 상용화 가능성을 한층 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업, 수소에너지혁신기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
 

1. 산화환원반응(oxidation-reduction reaction)
물질간의 전자 이동으로 산화와 환원 반응이 동시에 일어난다. 전자를 잃은 쪽은 산화수가 증가하고 산화되며, 전자를 얻은 쪽은 산화수가 줄어들고 환원된다.

2. 애노드
일반적으로 전자를 잃는 산화반응이 일어나 전자가 흘러나오는 쪽의 전극을 뜻한다.

3. 캐소드
전자를 얻는 환원반응이 일어나 전자가 흘러 들어가는 쪽의 전극을 뜻한다.

4. 금속 부도체 상전이 현상
어떤 부도체 물질이 특정한 온도, 전기장, 외부 환경(가스 분위기)이 되면 절연 특성(반도체적 특성)에서 갑자기 금속 특성으로 변하는 현상을 말한다. 본 연구에서는 산소 분압이 높을 때에는 절연 특성을 보이고, 수소 분압이 높을 때에는 금속 특성을 보인다.

5. 삽입 탈리
프로톤의 삽입은 프로톤이 텅스텐 산화물(WO3) 전극 물질 내부로 들어가는 현상이고, 프로톤의 탈리는 프로톤이 텅스텐 산화물 전극 물질 외부로 나오는 현상이다.

6. MEA 평가
MEA란 Membrane Electrode Assembly의 줄임말로서, 전해질 막과 애노드전극, 캐소드전극의 집합체를 일컫는 용어다. 이러한 MEA의 특성 평가를 말한다.