연구성과

신소재/철강·에너지 김용태 교수팀, “산소 싫어, 수소 좋아” 촉매의 선택이 결정하는 연료전지의 수명

2023-05-02 786

[김용태 교수팀, 수소차 연료전지 내구성을 높여주는 선택적 전기 촉매 개발]

기차 운전석에는 깜빡이가 없다. 또, 좌회전이나 우회전처럼 핸들을 꺾어 방향 전환을 할 수 없다. 대신, 스위치를 눌러 레일에 설치된 선로전환기를 작동시키면 특정한 방향으로 열차를 보낼 수 있다. 방향 전환 스위치로 기차가 운행할 경로를 선택하는 것처럼 원하는 화학반응을 선택적으로 진행하여 수소차 연료전지의 부식을 막는 촉매가 있다.

신소재공학과 · 철강 · 에너지소재대학원 김용태 교수, 신소재공학과 박사과정 유상훈 씨 연구팀은 수소의 농도에 따라 선택적으로 수소 산화 반응을 일으켜 수소차 연료전지의 부식을 막아주는 촉매를 개발했다. 이번 연구는 에너지 분야에서 영향력 높은 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 표지논문으로 게재되었다.


연료전지의 내구성을 악화시키는 요인은 여러 가지가 있다. 그 중 하나가 바로 시동을 켜고 끄는 순간 음극 촉매에 발생하는 열화현상이다. 특히, 자동차용 연료전지는 그 특성상 운행을 시작하거나 종료하는 상황을 계속해서 마주하게 된다. 자동차가 정상적으로 주행하는 동안에는 내부 연료전지에 높은 농도의 수소가 안정적으로 공급되지만, 시동을 켜거나 끄는 순간에는 연료전지 내부에 수소 농도가 일시적으로 낮아지는 상황이 발생한다. 수소 이외에 외부 공기도 연료전지 내부로 새어 들어오게 되면서 양극에 의도치 않은 산소 환원 반응을 일으켜 순간적으로 음극 전위가 높게 치솟게 되고 음극 촉매의 부식으로까지 이어진다.

연구팀은 이번 연구에서 이산화티타늄(TiO2)에 백금(Pt)을 입힌 촉매(Pt/TiO2)를 개발하여 수소차 연료전지의 부식을 막는 데 성공했다. 이 촉매는 이산화티타늄과 백금 사이의 강한 상호작용과 수소 스필오버(spillover) 현상을 이용하여 주변의 수소 농도에 따라 물질 표면의 전기 전도성을 변화시킬 수 있는 전기 촉매다.

차가 갑자기 멈추거나 출발하는 경우 연료전지 내 수소의 농도가 상대적으로 낮아진다. 수소의 농도가 낮은 환경에서는 촉매 표면에 드러나 있어야 할 백금 위로 이산화티타늄이 확산되어 백금을 뒤덮게 된다. 이산화티타늄의 낮은 전기 전도성으로 인해 촉매는 전기가 거의 통하지 않는 절연 상태의 부도체로 변하게 되고, 후에 음극 전위의 급상승을 야기하는 양극에서의 불필요한 산소의 환원 반응을 억제할 수 있다.

반면, 차가 정상적으로 주행하는 동안에는 차 내부에 수소의 농도가 높게 유지된다. 연료전지 내 수소가 풍부한 경우, 촉매의 표면에 전기 전도성이 높은 백금이 다시 노출되고, 이산화티타늄이 환원되면서 수소가 촉매 표면을 활발히 이동할 수 있도록 돕는다. 수소 스필오버라 불리는 이 현상을 통해 전류가 잘 흐르게 되어 수소의 산화 반응이 활발하게 진행될 수 있다.

이어, 연구팀은 개발한 촉매와 기존 촉매를 비교하기 위한 시뮬레이션 테스트도 진행했다. 그 결과, ‘백금-이산화티타늄’ 촉매를 사용한 전지는 기존 전지에 비해 세 배 더 높은 내구성을 보였다. 수소의 농도에 따라 산소의 환원 반응과 수소의 산화 반응을 선택적으로 진행하여 전지의 내구성을 높이는 데 성공한 것이다.


이번 연구를 바탕으로 수소차 연료전지의 내구성 문제가 해결된다면 차세대 모빌리티 산업에서 우리나라 수소차의 입지가 더욱 커질 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 진행되었다.