박찬호 지스트 융합기술학제학부 교수지스트(광주과학기술원) 융합기술학제학부 박찬호(사진) 교수 연구팀은 산성 조건에서 백금과 유사한 활성을 갖는 다기능성 비백금계 촉매를 개발해 수소전기차 연료전지 음극의 역전압 현상에 대한 내구성을 크게 향상시켰다고 22일 밝혔다.
역전압 현상은 정상 작동 시 연료전지의 양극의 전압이 더 높아야 하는데 수소 연료가 부족할 때 음극의 전압이 높아지면서 양쪽 전극의 전압이 역전되는 현상이다.
이번에 연구팀이 개발한 이리듐-루테늄 합금 촉매는 연료전지 음극에 적용했을 때 백금과 동일한 성능을 보이면서도 음극의 내구성을 크게 향상시켜 향후 연료전지 음극에서 백금을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
주로 백금을 수소 산화 반응용 음극 촉매로 사용하는 기존 수소연료전지는 희소성과 높은 가격 뿐만 아니라 연료전지 내 물 범람, 반응 기체 공급 이상 등이 발생해 촉매의 안정성에 걸림돌로 작용해 왔다.
특히 수소 결핍에 의해 음극의 역전압 현상이 발생할 경우 높은 전압에 의해 탄소 담체의 부식이 진행되며 촉매의 안정성을 크게 감소시킨다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 현재 연료전지 음극에 산소 발생 반응 촉매를 첨가해 역전압 현상에 대한 내구성을 향상시키는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
연구팀은 이리듐-루테늄 합금 비율을 최적화해 수소 산화 반응과 산소 발생 반응에서 모두 우수한 촉매를 개발, 연료전지 음극에서 사용되는 백금촉매를 대체했다. 또한 수소 연료가 부족한 상황에서 우수한 산소 발생 및 탄소 부식을 억제해 음극의 역전압 내구성을 향상시켰다.
연구팀이 제작한 단위전지는 상용 백금 촉매와 유사한 성능을 구현하고, 수소 부족 현상을 이용한 음극 역전압 내구성 평가에서 10분 이하의 짧은 시간만 버티는 백금촉매 음극에 비해 175배 향상된 7시간 이상을 버티는 것을 확인했다.
박찬호 교수는 “이번 연구성과는 이리듐-루테늄 합금 촉매를 산성 조건에서 합성해 단위 전지에서 성능과 음극의 내구성을 확보했다는 데 의미가 있다”면서 “향후 이리듐-루테늄 촉매의 산화 문제에 대한 해결책을 고민해 내구성이 높게 요구되는 수소 전기 상용차에 적용될 수 있기를 기대한다”고 말했다.
지스트 박찬호 교수가 주도하고 석박사통합과정의 이승우, 백채경 학생과 이봉호 석사, 김태양 박사가 참여한 이번 연구는 한국에너지기술평가원, 산업통상자원부와 지스트 연구원(GRI)의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제 저명 학술지인 ‘Journal of Materials Science & Technology’에 지난달 21일 게재됐다. /광주=김선덕기자 sdkim@sedaily.com
