연구성과

신소재/친환경소재 김용태 교수팀, 급정거로 늙는 수소차, 텅스텐이 방지한다

2023-11-08 306

[김용태 교수팀, 텅스텐 산화물 코팅으로 수소 연료전지 내구성 향상]

보통 휴대폰을 구매하면 가장 먼저 튼튼한 케이스와 액정 보호 필름을 찾게 된다. 외부의 충격으로부터 휴대폰을 보호해야 하기 때문이다. POSTECH 연구팀은 최근 이러한 케이스와 필름처럼 친환경 수소 연료전지 전극을 보호하는 텅스텐 코팅법으로 학계의 주목을 받고 있다.

최근 신소재공학과 · 친환경소재대학원 김용태 교수, 신소재공학과 박사과정 유상훈 씨 연구팀은 수소 연료전지 핵심 부품인 막 · 전극 접합체(이하 MEA)*1를 텅스텐 산화물(이하 WO3)로 코팅해 전극의 성능과 효율을 높였다. 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’의 표지 논문(front cover)으로 게재됐다.


수소차의 시동을 걸거나 차가 갑자기 정지하는 경우(Start-up/Shut-down, 이하 SU/SD) 차 내부로 외부 공기가 유입된다. 이 공기에 포함된 산소로 인해 전지 내부에 전기화학 반응이 일어나 촉매의 부식이 촉진된다. 도로 위를 달리고 멈추는 자동차의 특성 상 SU/SD 상황은 빈번하게 발생할 수밖에 없으며, 이로 인한 촉매의 성능 열화 역시 심각한 수준이다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 금속-절연체 전이(metal-insulator transition, 이하 MIT)를 이용했다. MIT는 주변 기체의 농도나 온도 등 외부 자극으로 전기가 흐르지 않던 절연체에 전류가 흐를 수 있게 되는 현상이다. WO3은 양성자의 삽입과 분리에 따라 MIT 현상을 구현하여 선택적으로 전도도를 가지는 특성이 있다. 연구팀은 WO3를 MEA의 양극에 있는 촉매 층 위에 코팅하여 일반적인 작동 조건에서는 전기 전도성을 가지다가 SU/SD 조건에서만 선택적으로 전류의 흐름을 차단해 촉매의 부식을 유발하는 전기화학적 반응을 억제했다.

WO3가 코팅된 MEA를 실제 셀에 적용한 결과, SU/SD 조건에서 촉매가 부식되지 않았고, 94%의 높은 성능 유지율을 보였다. WO3를 MEA에 코팅하는 연구팀의 기술은 전지의 내구성 향상에 아주 효과적이면서 동시에 이미 어느 정도 양산화 조건이 잡혀있는 MEA 공정에 바로 적용할 수 있다는 효용성까지 갖추고 있다.


김용태 교수는 “상용 수소연료전지 자동차 내구성을 높이는 데 직접적이면서도 효과적으로 기여할 수 있을 것”이라며, “무엇보다 MEA 양산 공정에 즉시 적용할 수 있어 실용화가 수월할 것으로 기대한다”는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 미래소재 디스커버리 사업과 중견연구자 지원사업의 지원으로 진행됐다.


1. 막·전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)
수소와 산소의 화학 에너지를 전기로 변환시켜주는 역할을 하는 연료전지의 핵심 소재