연구진, 자동차 연료전지 부식 억제하는 선택적 촉매 개발

포항공과대학교(POSTECH) 김용태 교수·유상훈 박사 연구팀이 수소전기차에 사용되는 연료전지의 부식을 억제하는 선택적 촉매를 개발했다.

연구팀은 연료전지 내 수소 농도에 맞춰 수소 산화 반응을 맞춤으로써 연료전지의 부식을 막을 수 있었다. 이 연구는 ACS Energy Letters에 게재되었습니다.

연료전지는 내구성을 저하시키는 다양한 요인에 취약합니다. 그 중 하나는 특히 자동차의 시동 및 정지 이벤트에 일상적으로 노출되는 음극 촉매의 성능 저하입니다. 정상적인 차량 운행 중에는 연료전지에 고농도의 수소가 일정하게 공급되지만, 시동을 끄거나 시동을 걸면 일시적으로 수소 농도가 감소합니다. 결과적으로, 외부 공기가 연료전지 내에서 수소와 혼합되면 연료극에서 의도치 않은 산소 환원 반응이 촉발되어 급격한 전위 상승과 공기극의 탄소 부식이 발생하게 됩니다.

왼쪽. 그림에는 수소 유출이 묘사되어 있습니다. 여기서 TiO2는 높은 수소 농도 조건에서 TiOOH로 변환되어 표면의 수소 이동성을 촉진하고 결과적으로 전도성을 생성합니다. 오른쪽. 그림은 상대적으로 낮은 수소 농도 조건에서 Pt와 TiO2 사이의 강한 상호작용으로 인해 Pt가 TiO2로 덮이는 것을 보여줍니다. 신용: 포스텍

연구팀은 이산화티타늄(TiO2)에 백금(Pt)을 증착한 촉매(Pt/TiO2)를 설계해 수소전기차에 사용되는 연료전지의 부식을 효율적으로 막는다. 이 전기촉매의 성능은 이산화티타늄과 백금 사이의 강력한 상호작용과 근처의 수소 농도에 반응하여 물질의 표면 전도도를 변경하는 수소 유출 능력에서 비롯됩니다.

차량이 급정거하거나 출발할 경우, 연료 내 수소 농도가 그에 따라 감소합니다. 이러한 수소 농도 감소의 결과로 이산화티타늄이 백금으로 팽창하여 백금이 촉매 표면 아래에 묻히게 됩니다. 이산화티타늄의 팽창으로 인한 백금의 매립은 궁극적으로 이산화티타늄의 낮은 전도성으로 인해 촉매를 절연체로 변형시킵니다.

이러한 절연 효과는 촉매의 전기 전도 능력을 방해하여 음극에서 갑작스러운 전위 점프를 일으킬 수 있는 원치 않는 산소 감소를 방지합니다.

반대로, 표준 작동 중에는 수소 농도가 높게 유지됩니다. 이러한 높은 수소 농도 조건에서는 전도성이 높은 백금이 촉매 표면에 노출되고, 이산화티타늄 환원이 일어나 촉매 표면의 수소 이동성이 촉진된다. 수소 유출이라고 불리는 이 현상은 전류 흐름을 향상시키고 수소 산화 반응을 증가시킵니다.

연구팀은 새로 개발한 촉매와 기존 촉매를 비교하기 위해 시뮬레이션 테스트도 진행했다. 테스트 결과, Pt/TiO2 촉매를 사용한 연료전지는 기존 연료전지에 비해 내구성이 3배 이상 향상된 것으로 나타났다.

이번 연구는 한국연구재단 미래소재발굴사업, 수소에너지혁신기술개발사업, 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.

자원

유상훈, 정상문, 김규수, 이진현, 박진규, 장호연, 신상용, 이현주, 백서인, 이진우, 김용태(2023) "자동차의 내구성 강화" 전기촉매 표면의 수소 유출에 의한 선택성 구현을 통한 연료 전지" ACS Energy Letters 8 (5), 2201-2213 doi: 10.1021/acsenenergylett.2c02656