[굿모닝충청 정민지 기자] 충남대학교 에너지과학기술대학원(GEST) 정남기 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사 공동 연구팀은 수소전기차 시동끔/시동켬(shut-down/start-up) 시 연료전지의 수명 극대화를 위한 유무기 하이브리드 코어-쉘 촉매 기술을 개발했다.
14일 충남대에 따르면 이 기술은 응용재료 분야 최고 저널 중 하나인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’(IF 8.456, 분야별 SCI 상위 10%, 8월 7일자)에 발표됐다. (논문제목: Boosting Fuel Cell Durability under Shut-Down/Start-Up Conditions Using a Hydrogen Oxidation-Selective Metal-Carbon Hybrid Core-Shell Catalyst, 2019, 11, 27735-27742)
수소연료전지는 기후변화대응의 일환으로 수소 기반 에너지 시스템 중 하나로, 오염원 배출 없이 높은 에너지 전환 효율과 전력 밀도를 갖기 때문에 화석 연료를 대체할 수 있는 차세대 에너지 시스템으로 떠올랐다.
수소연료전지의 다양한 응용 분야 중에서도 자동차용 연료전지는 장기 구동, 수소연료 고갈, 잦은 시동끔/시동켬(shut-down/start-up)과 같은 가혹한 조건을 견뎌야 하는 상황에 노출되기 쉽기 때문에, 이로 인해 발생되는 연료전지 성능 감소를 최소화하기 위한 신기술의 개발이 절실했다.
수소전기차의 시동을 끄게 되면 공기극 내 산소가 고분자막을 통해 연료극으로 이동하거나, 연료극으로의 외부 공기 직접 유입으로 인해 수소만이 존재해야 하는 연료극에 공기가 공존하게 된다.
이때, 다시 시동을 켜게 되면 수소가 연료극에 공급되면서 국부적으로 백금 촉매 표면에서 수소와 산소의 경계면이 형성된다.
이처럼 연료극에 존재하는 산소로 인해 의도치 않은 산소환원반응이 연료극에서 발생해 시스템 내 역전류 현상을 유발하게 되면서, 결과적으로 공기극의 전위를 약 1.5V까지 증가시켜 공기극 촉매층의 심각한 열화를 초래한다.
이에 정남기 교수와 유성종 박사 공동 연구팀은 기존의 접근법에서 탈피해 시스템 내 역전류 발생의 근본 원인이 되는 연료극 촉매의 표면 구조 제어를 통해 위 문제를 해결하려 노력했다.
먼저 백금 촉매의 표면에 molecular sieve(분자체) 역할을 할 수 있는 다공성 탄소 쉘이 코팅된 백금 코어-탄소 쉘 나노 촉매 구조를 설계하고, 탄소 쉘의 나노 기공 크기 및 결정성을 효과적으로 제어하는데 성공했다.
이를 통해 연료극 내에서 수소/산소 경계면이 형성되더라도 산소 투과를 효과적으로 억제하며 동시에 선택적 수소 산화 반응이 가능한 신개념 하이브리드 코어-쉘 촉매를 개발했다.
연구팀은 연료전지 열화테스트를 통해 역전류 현상 방지 효과를 명확히 확인할 수 있었다.
연구팀은 “본 연구에서 제안한 신개념 연료극 촉매 구조는 수소전기차용 연료전지 기술을 한 단계 앞당기는 핵심우너천기술이 될 것”이라며 “수소연료전지 연구 분야 및 관련 산업에서 중요한 기술적 돌파구를 제공할 것으로 기대된다”고 말했다.
