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세계적으로 수소차의 심장인 연료전지 성능 향상 연구개발(R&D)이 치열한 상황에서 골칫거리인 부식 문제를 해결할 단초가 마련됨.

POSTECH(포항공과대) 신소재 공학과의 김용태 교수와 정상문 박사과정생 연구팀은 백금과 수소 텅스텐 브론즈를 결합시킨 촉매(Pt/HxWO3)를 통해 수소차의 시동이 정지될 때 발생하는 연료전지의 부식 문제를 해결, 내구성을 2배까지 높일 수 있는 기술을 개발함.

자동차용 연료전지는 잦은 시동 정지로 한 번 가동하면 멈추지 않는 발전용 연료전지에 비해 성능 열화가 심각함. 시동을 정지할 때 애노드에 일시적으로 공기가 유입돼 산소 환원 반응이 일어나고 캐소드의 전위가 순간적으로 높게 치솟으면서 부식이 가속화됨.

이에 따라 연구팀은 주위 환경에 따라 선택적으로 물질의 전도성을 변화시킬 수 있는 금속 부도체 상전이(Metal Insulator Transition·MIT) 현상에 초점을 맞췄음. 프로톤의 삽입·탈리에 의해 전도성을 크게 변화시켜 전기 변색 소재로 활용돼오던 텅스텐 산화물(WO3)에 주목한 것임. 김 교수는 “WO3의 MIT 현상을 활용할 경우 정상 운행하면 프로톤의 삽입에 의해 H-WO3(도체) 상을 유지하면서 전극반응을 일으킨다”며 “시동 정지를 할 때는 공기가 섞여 흡입돼 산소의 분압이 높아질 경우 부도체(WO3)로 전이해 전극반응을 정지시킴으로써 캐소드 부식 문제를 해결했다”고 설명함.

자동차용 연료전지 MEA 평가에서 상용 Pt/C 촉매와 비교한 결과 이 촉매는 시동 정지 조건에서 기존 상용 촉매 소재 대비 2배 이상의 내구성을 나타냈음. 김 교수는 “앞으로 수소차의 상용화 가능성을 한층 높일 수 있을 것”이라고 기대함.

본 연구 성과는 ‘Nature Catalysis’ 지에 게재됨