포스텍, 수소차 연료 전지 내구성 향상 촉매 개발

포항공대 김용태 교수

포항공대 박사과정 유상훈 씨

수소차 연료 전지의 내구성을 향상하는 기술이 포항공대 연구팀에 의해 개발됐다.

포항공과대학교(포스텍)는 2일 신소재공학과·철강·에너지소재대학원 김용태 교수와 신소재공학과 박사과정 유상훈 씨 연구팀이 수소의 농도에 따라 선택적으로 수소 산화 반응을 일으켜 수소차 연료전지의 부식을 막아주는 촉매를 개발했다고 밝혔다.

시동을 켜고 끄는 순간 음극 촉매에 발생하는 열화 현상은 연료 전지의 내구성을 악화하는 요인 중 하나다. 자동차용 연료전지는 그 특성상 운행 시작과 종료하는 상황을 계속해서 마주하게 된다. 정상적으로 주행하는 동안에는 내부 연료전지에 높은 농도의 수소가 안정적으로 공급되나, 시동을 켜거나 끄는 순간에는 연료전지 내부에 수소 농도가 일시적으로 낮아진다.

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

급제동·급출발 시에는 연료전지 내 수소 농도가 상대적으로 낮아지는데, 촉매 표면에 드러나 있어야 할 백금 위로 이산화티타늄이 확산해 백금을 뒤덮는다. 이로 인해 촉매는 절연 상태의 부도체로 변하고, 음극 전위의 급상승을 일으키는 양극에서의 불필요한 산소의 환원 반응을 억제한다.

정상 주행의 경우에는 차 내부에 수소의 농도가 높게 유지되는데, 연료전지 내 수소가 풍부하면 촉매 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 돼 수소의 산화 반응이 활발하게 진행된다.

또한, 연구팀은 개발한 촉매와 기존 촉매를 비교 테스트한 결과, '백금-이산화티타늄' 촉매를 사용한 전지는 기존 전지에 비해 세 배 높은 내구성을 보였다. 수소의 농도에 따라 산소의 환원 반응과 수소의 산화 반응을 선택적으로 진행해 전지의 내구성을 높이는 데 성공한 것.

김용태 교수는 "이번 연구를 바탕으로 수소차 연료전지의 내구성 문제가 해결된다면, 차세대 모빌리티 산업에서 우리나라 수소차의 입지가 확대될 것으로 기대된다"고 말했다.
이번 연구는 에너지 분야에서 영향력 높은 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)' 표지논문으로 실렸다.

김기태기자 ktk@yeongnam.com

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