KIST, '담지체' 활용 수소연료전지 내구성 높인다

비탄소계 금속산화물 담지체 도입 통해 장기적 내구성 획기적 개선

불소가 도핑된 주석산화물나노튜브 촉매담지체 개발 모식도

[아시아경제 김철현 기자] 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 수소연료전지연구단 김진영 박사팀이 비탄소계 촉매 '담지체'를 활용해 수소연료전지의 성능과 안정성을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 이번 연구는 '나노 에너지' 최신호에 온라인 게재됐다.

수소연료전지에는 일반적으로 저온에서도 반응이 우수한 백금 나노촉매를 주로 사용한다. 담지체는 촉매의 반응성 및 선택성 등을 향상시키는 물질을 말하는데, 연료전지용 백금 촉매는 촉매 반응을 향상시키는 탄소 담지체에 분포돼 있다. 하지만 기존의 탄소 담지체들은 반복 사용 시 쉽게 부서져 연료전지 성능을 떨어뜨리는 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 탄소계가 아닌 비탄소계 소재에서 답을 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 발생, 오히려 전기전도성이 감소했다.

이에 연구팀은 주석산화물에 다양한 양이온과 음이온 원소를 도핑하는 시험을 진행했으며, 이 중 불소가 전기화학적으로 가장 안정되며 전기전도도도 우수한 최적의 원소임을 밝혀냈다. 또 불소가 첨가된 주석산화물을 나노튜브 형태의 담지체로 연료전지에 적용해 가속 수명시험을 수행한 결과, 기존의 탄소 담지체 연료전지는 최대출력밀도가 70%나 감소한 반면 불소가 도핑된 주석산화물 담지체의 경우에는 최대출력밀도가 7%만 감소하는 성능 특성을 보였다.

김진영 박사는 "기존의 탄소계 담지체 소재의 내부식성 문제를 극복하기 위해 비탄소계 소재를 도입해 우수한 결과를 낼 수 있었다"며 "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 했다.