‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 논문 게재
충남대학교 에너지과학기술대학원(GEST) 정남기 교수(교신저자) 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 유성종 박사(공동 교신저자) 연구팀과의 공동연구를 통해 수소전기차 시동끔/시동켬 (shut-dwon/start-up) 시 연료전지의 수명 극대화를 위한 유무기 하이브리드 코어-쉘 촉매 기술을 개발해 응용재료 분야 최고 저널 중 하나인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’(IF 8.456, 분야별 SCI 상위 10%, 8월 7일자)에 발표했다.
(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)
기후변화대응의 일환으로 수소 기반 에너지 시스템 중 하나인 수소연료전지는 오염원 배출 없이 높은 에너지 전환 효율과 전력 밀도를 가지기 때문에 화석 연료를 대체 할 수 있는 차세대 에너지 시스템 중 하나이다.
수소연료전지의 다양한 응용 분야 중에서도 자동차용 연료전지는 장기 구동, 수소연료 고갈, 잦은 시동끔/시동켬 (shut-dwon/start-up)과 같은 가혹한 조건을 견뎌야 하는 상황에 노출되기 쉽기 때문에 이로 인해 발생되는 연료전지 성능 감소를 최소화하기 위한 신기술의 개발이 절실하다.
수소전기차의 시동을 끄게 되면 공기극 내 산소가 고분자막을 통해 연료극으로 이동하거나, 연료극으로의 외부 공기 직접 유입으로 인해 수소 만이 존재 해야 하는 연료극에 공기가 공존하게 된다. 이 때, 다시 시동을 켜게 되면 수소가 연료극에 공급되면서 국부적으로 백금 촉매 표면에서 수소와 산소의 경계면이 형성된다.
이처럼 연료극에 존재하는 산소로 인해 의도치 않은 산소환원반응이 연료극에서 발생하여 시스템 내 역전류 현상을 유발하고 결과적으로, 공기극의 전위를 약 1.5 V까지 증가시켜 공기극 촉매층의 심각한 열화를 초래한다.
정남기 교수와 유성종 박사 공동 연구팀은 기존의 접근법에서 탈피하여 시스템 내 역전류 발생의 근본 원인이 되는 연료극 촉매의 표면 구조 제어를 통해 위 문제를 해결하려고 노력하였다.
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 억제하면서 동시에 선택적 수소 산화 반응이 가능한 신개념 하이브리드 코어-쉘 촉매를 개발하였고, 연료전지 열화 테스트를 통해 역전류 현상 방지 효과를 명확히 확인할 수 있었다.
연구팀은 “본 연구에서 제안한 신개념 연료극 촉매 구조는 수소전기차용 연료전지 기술을 한단계 앞당기는 핵심원천기술이 될 것이며, 수소연료전지 연구 분야 및 관련 산업에서 중요한 기술적 돌파구를 제공할 것으로 기대된다”고 말했다.
