불소 도핑 주석산화물로 수소연료전지 내구성 높인다

머니투데이

류준영 기자

KIST 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀의 김종민 연구원(제1저자)이 불소가 도핑된 주석산화물 나노튜브 촉매 담지체를 적용한 연료전지를 테스트하고 있다/사진=KIST<br>

(좌) KIST 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀에서 개발한 불소가 도핑된 주석산화물 나노튜브 촉매 담지체. 분말형태를 띄고 있다.<br> <br>(우) KIST 연구진이 개발한 촉매 담지체를 적용하여 제작한 연료전지용 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)

최근 수소전기차가 내연기관 자동차를 대체할 미래 친환경 자동차로 주목받고 있는 가운데 한국과학기술연구원(KIST) 수소연료전지연구단 김진영 박사 연구팀이 비탄소계 촉매 담지체를 활용해 수소연료전지의 성능과 안정성을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

수소연료전지에는 일반적으로 저온에서도 반응이 우수한 백금 나노촉매(2~5 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기)를 주로 사용한다. 연료전지용 백금 촉매는 촉매 반응을 향상시키는 탄소 담지체에 분포돼 있다. 담지체는 촉매의 반응성 및 선택성 등을 향상시키는 물질을 말한다. 하지만 기존의 탄소 담지체들은 반복 사용 시 쉽게 부서져 연료전지 성능을 떨어뜨린다.

전기화학적 열화로 인해 담지체가 부서지는 문제를 해결하기 위해 김 박사 연구팀은 탄소계가 아닌 비탄소계 소재에서 해답을 찾았다. 비탄소계 금속산화물 소재는 높은 전기 전도도와 전기화학적 처리에도 잘 부서지지 않는 우수한 내부식성을 보이는 것으로 알려져 있다.

비탄소계 금속산화물로 잘 알려진 주석산화물은 우수한 내부식성을 보인다. 하지만 전기전도성이 낮아 다양한 원소를 첨가해 전기전도도를 높여야만 하고, 장기 구동 시에는 첨가된 원소들이 전기화학적으로 용출되는 현상이 발생해 오히려 전기전도성이 감소하는 문제가 발생했다.

KIST 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀의 김종민 연구원(제1저자)이 불소가 도핑된 주석산화물 나노튜브 촉매 담지체를 적용한 연료전지를 테스트하고 있다/사진=KIST<br>

연구팀은 주석산화물에 다양한 양이온과 음이온 원소를 도핑하는 시험을 진행했다. 이 중 불소가 전기화학적으로 가장 안정되며 전기전도도도 우수한 최적의 원소임을 밝혀냈다.

연구진은 불소가 첨가된 주석산화물을 나노튜브 형태의 담지체로 연료전지에 적용해 가속 수명시험을 수행했다. 그 결과, 기존의 탄소 담지체 연료전지는 최대출력밀도가 70%나 감소한 반면, 불소가 도핑된 주석산화물 담지체의 경우에는 최대출력밀도가 7%만 감소, 최고의 성능 특성을 보였다.

김 박사는 “우수한 성능의 불소 도핑 주석산화물은 향후 수소연료전지의 촉매 담지체 뿐만 아니라 수전해와 같이 촉매 담지체가 사용되기 어려운 분야에서도 이를 대체할 수 있는 소재로 활용 가능할 것”이라고 말했다.