국립부경대·재료硏·GIST, 수소연료전지 수명 향상 기술 개발

- 신 탄소물질 전극 첨가제 개발 … 고분자전해질연료전지 내구성 크게 높여

국립부경대학교 나노융합공학전공 서민호 교수와 한국재료연구원 최승목 박사, 광주과학기술원(GIST) 엄광섭 교수 연구팀이 세계 최초로 개발한 신 탄소물질을 전극의 제조 공정에 첨가제로 활용해 상용 수준의 고분자전해질연료전지 시스템의 내구성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

친환경 고효율 전지로 주목받는 고분자전해질연료전지는 수소를 연료로 수소산화반응을 통해 전기를 생산하고, 반응 결과물로 물만 배출하는 발전 장치다. 하지만 기존 고분자전해질연료전지 시스템에서는 시동 온/오프 과정에서 1.4V 이상의 높은 전압이 발생해 촉매층의 탄소 부식이 가속화되고, 이에 따라 촉매층 붕괴 및 산소환원반응 시 생성되는 물이 전극 내부에 넘치는 현상(water flooding)으로 내구성이 급격히 감소하는 문제가 있었다.

서민호 교수 연구팀은 고탄소 내부식성을 가진 신 탄소물질을 전극 내 첨가제로 활용, 탄소 부식으로 인한 연료전지 내구성 저하를 효과적으로 개선했다. 이번 연구에서 활용된 플루오린 도핑 그래핀나노리본과 탄소나노튜브 복합체(F-GNR@CNT)는 기존 그래핀나노리본 산화물의 탄소 부식 취약성을 극복하기 위해 개발됐다.

기존 그래핀 나노리본 산화물은 합성 과정에서 강한 화학적 산화로 인해 산소 기능기가 풍부해지며, 많은 결함 및 경계 부위에서의 불안정성으로 연료전지 운전 중 전기화학적 탄소 부식에 매우 취약해진다. 서민호 교수 연구팀은 산화도를 조절해 고내부식성을 가진 탄소나노튜브 복합체를 합성하고, 플루오린 도핑을 위한 열처리 공정을 통해 안정적인 탄소-플루오린 결합을 형성했다.

서민호 교수 연구팀은 한국재료연구원 최승목 박사, 한국에너지기술연구원 최영우 박사 연구팀과 함께 F-GNR@CNT 복합체를 극소량 첨가하는 전극 최적화 공정 기술을 개발해 전극을 제조했다.

GIST 엄광섭 교수팀과 함께 이 전극의 전기화학적 탄소 부식 가속화 내구성을 평가한 결과, 기존 촉매층 전극의 물질 전달 구간에서 열화율은 약 85%였지만, 신 탄소물질을 첨가한 전극은 약 40%의 열화율을 보이는 것으로 나타나 매우 높은 전기화학적 탄소 부식 저항성을 확인했다.

서민호 교수 연구팀은 밀도범함수이론(DFT)을 통해 탄소 부식 저항성이 높아지는 이론적 메커니즘도 규명했다. 그래핀나노리본과 탄소나노튜브 구조를 모델링하고, 플루오린 도핑 유무에 따른 탄소 부식 요인인 물과 산소 원자와의 흡착 에너지를 계산한 결과, 플루오린 도핑된 그래핀나노리본 및 탄소나노튜브 구조에서 흡착에너지가 낮아 탄소 부식 저항성이 개선될 수 있음을 제시했다.

연구책임자인 서민호 교수는 “실험과 계산과학의 조합을 통해 입증된 플루오린 도핑 그래핀나노리본 및 탄소나노튜브 복합체는 전극 내 첨가제로 사용될 경우, 고내구성의 수소연료전지를 효율적이고 손쉽게 개발할 수 있는 중요한 전략이 될 것.”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 국립부경대 신진연구자 도전연구, 한국에너지기술평가원, 한국산업기술기획평가원 및 한국재료연구원의 기본사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 <Advanced Science>에 진송 박사과정생(한국재료연구원·GIST), 권준화 박사(GIST)가 제1 저자로, 최승목 박사와 엄광섭·서민호 교수가 교신저자로 게재했다.

한편 연구팀은 신규 고내구 탄소 담지체 및 나노입자구조 제어 등 촉매 원천기술 및 전극화 공정 개발로 고분자전해질연료전지 시스템의 성능 및 안정성 향상을 위한 후속 연구를 진행하고 있다.

※ 붙임 이미지, 사진 

1. 플루오린이 도핑된 그래핀나노리본 및 탄소나노튜브 복합체 합성 과정 모식도

2. 고분자전해질연료전지 시스템의 전기화학적 탄소부식 가속수명시험 평가 시, 기존 전극 도입(左) 및 본 연구 제안된 전극 도입(右) 시 주사전자현미경 및 성능 열화율 그래프

3. 플루오린 도핑 및 탄소나노뷰트 복합체 도입에 의한 밀도범함수을 통한 탄소부식 인자(물, 산소원자)와의 흡착에너지 변화 이론 계산