[요약]
- UNSW 시드니 연구원들은 수소 연료전지에 사용되는 백금 촉매 대체 소재에 대한 안정성과 내구성을 평가할 수 있는 성능 저하 메커니즘 평가 방법을 개발
- 백금의 유망 대체 소재인 철-질소-탄소(Fe-N-C) 소재는 연료전지 사용 중에 빠르게 분해되는 현상으로 인해 실용성에 제한
- 촉매 안정성을 신속하게 평가할 수 있는 프로세스 개발로 향후 연료전지 촉매 연구개발에 유용하게 활용될 것으로 기대
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호주 UNSW(University of New South Wales) 시드니의 연구원들은 수소 연료전지의 효율성과 비용을 개선하고, 청정 연료에 대한 접근성을 높이기 위한 연료전지의 안정성 분석 기술을 개발
- 수소 연료전지의 상용화 가능성을 높이기 위해 UNSW 화학과의 Prof. Chuan Zhao, Dr Quentin Meyer and Mr Shiyang Liu 등의 과학자들이 연구개발에 노력 중
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- (현황) 수소는 미래 탈탄소 사회를 향한 경쟁에서 핵심적인 역할을 담당하고 있지만, 그 잠재력에도 불구하고 상용화에 속도를 내지 못하고 있는 상황
- 그러한 원인 중 하나는 연료전지의 촉매로 사용되는 백금을 포함한 일부 핵심 소재들의 비싼 가격 문제로, 이에 백금 촉매를 대체할 수 있는 저렴한 대체 소재의 개발 필요성이 대두
- 또한 대체 소재는 화학적으로 안정적인 백금에 비해 내구성 문제가 발생할 수밖에 없으므로 대체 물질이 수소 연료전지에서 얼마나 잘 작동하고 잘 견디는지 빠르고 쉽게 측정할 수 있는 분석방법이 필요
- (현황) 수소는 미래 탈탄소 사회를 향한 경쟁에서 핵심적인 역할을 담당하고 있지만, 그 잠재력에도 불구하고 상용화에 속도를 내지 못하고 있는 상황
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- (대체 소재) 연료전지의 필수 중간층을 형성하는 백금은 ㎏당 45,000~100,000호주 달러 정도의 고가이므로, 내구성 및 안정성 문제 해결을 위한 유망 소재로 ㎏당 약 0.1 호주 달러에 불과한 철-질소-탄소(Fe-N-C)와 같은 백금 대체 물질이 유망 소재로 대두
- 그러나 백금 기반 연료전지는 최대 40,000시간 (약 4.5년)까지 사용할 수 있는 반면, 현재까지 개발된 Fe-N-C 소재의 연료전지는 최상의 시나리오에서 최대 300시간 (약 2주) 정도만 사용이 가능
- 때문에 새로운 대체 소재의 개발을 위해 많은 비용과 시간을 들여 다양한 실험을 진행하고 있지만, 개발된 대체 소재의 성능과 내구성 저하 메커니즘을 규명하기 위해서는 값비싼 장비와 많은 분석 시간이 소요되고 있는 실정
- (대체 소재) 연료전지의 필수 중간층을 형성하는 백금은 ㎏당 45,000~100,000호주 달러 정도의 고가이므로, 내구성 및 안정성 문제 해결을 위한 유망 소재로 ㎏당 약 0.1 호주 달러에 불과한 철-질소-탄소(Fe-N-C)와 같은 백금 대체 물질이 유망 소재로 대두
- 이에 UNSW에서 개발한 분석방법으로 대체 물질이 백금만큼 안정적이지 않은 이유를 이해할 수 있는 토대가 만들어 졌고, 관련 연구를 진행 중인 과학자들이 쉽게 연료전지 촉매의 효율성에 대한 빠르고 정확한 통찰력 획득이 가능
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- (개요) UNSW 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 일부 촉매 재료가 백금만큼 안정적이지 않은 이유를 이해할 수 있는 방법을 개발하는 것이 필요하다고 판단
- Fe-N-C 촉매는 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)에 대한 가장 유망한 대체 소재이지만, 여러 가지 분해 메커니즘이 동시에 발생하고 있어 PEMFC에서의 불안정성을 파악하기 어려웠던 것이 단점
- (개요) UNSW 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 일부 촉매 재료가 백금만큼 안정적이지 않은 이유를 이해할 수 있는 방법을 개발하는 것이 필요하다고 판단
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- (분석 방법) 새로 개발된 분석 방법은 연료전지에 60시간 동안 높은 전기 부하(1A/㎠)를 부가하고, 이완시간분포(distribution of relaxation times) 같은 최신 전기화학적 방법을 사용하여 PEMFC에서 발생하는 메커니즘을 분리하는 방법을 사용
- 이를 통해 철의 탈금속화와 탄소부식이 발생하는 시점을 파악하고, 삼상경계(triple-phase boundary)의 작동 열화를 통해 복잡한 열화(degradation) 경로를 밝힐 수 있는 방법을 발견
- 연구 결과에 따르면, 철 탈금속화를 통해 Fe-N-C 활성 부위의 최대 75%가 비활성 상태가 되어 초기에(10시간 미만) 전압 손실이 발생하고, 이후 촉매 층에서 탄소부식이 5배 증가하고 양성자 수송력이 4배 감소하여, 이로 인한 촉매로의 기체, 이온 및 전자의 이동경로가 길어져 ORR 속도가 3배 감소하는 분해 메커니즘을 확인
- 이번에 개발한 프로세스를 활용하면 저가의 비백금 촉매의 안정성에 대한 빠르고 신뢰할 수 있는 메커니즘을 이해할 수 있으며, 이를 통해 소재 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해할 수 있는 통찰력 획득이 가능
- (분석 방법) 새로 개발된 분석 방법은 연료전지에 60시간 동안 높은 전기 부하(1A/㎠)를 부가하고, 이완시간분포(distribution of relaxation times) 같은 최신 전기화학적 방법을 사용하여 PEMFC에서 발생하는 메커니즘을 분리하는 방법을 사용
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- (기대효과) 금번 개발된 평가 방법을 적용하여, 향후 안정성이 높은 다양한 금속을 결합하여 새로운 연료전지 촉매 개발에 활용이 가능
- 백금이 필요 없는 저가의 수소 연료전지용 촉매를 실제 장치 전력에 공급하고, 향후 운송 수단에 동력을 공급하는 데 사용할 수 있는 실용적인 제품으로 확장성을 높일 수 있을 것으로 기대
- (기대효과) 금번 개발된 평가 방법을 적용하여, 향후 안정성이 높은 다양한 금속을 결합하여 새로운 연료전지 촉매 개발에 활용이 가능
[시사점]
- 수소 연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 비싼 가격 때문에 연료전지 상용화에 제약이 있으므로, 백금 촉매를 대체할 수 있는 저렴한 대체 소재의 개발 필요성이 대두
- 현재 개발 중인 가장 유망한 소재는 철-질소-탄소(Fe-N-C) 같은 대체 소재이지만, 사용 중 발생하는 다양한 분해 메커니즘으로 인해, 수명이 백금의 1%(약 300시간)에도 못 미치는 실정 (백금은 40,000시간)
- UNSW 연구팀은 연료전지에 60시간 동안 높은 전기 부하(1A/㎠)를 가하고, 이완시간분포 같은 최신 전기화학적 방법을 사용하여 PEMFC에서 발생하는 현상들을 분리하는 방법으로, Fe-N-C 소재의 분해 메커니즘을 확인
- 이번 연구결과를 효과적으로 활용하면, 연료전지에 사용되는 저가의 비백금 촉매 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해할 수 있게 되고, 새로운 소재 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 전망
[출처]
- Energy News, Cracking the Code: UNSW researchers develop a technique to analyze hydrogen fuel cell stability, 2023.8.11.
- UNSW Newsroom, UNSW researchers develop technique to analyze hydrogen fuel cell stability, 2023.8.11.
- Energy & Environmental Science, Operando deconvolution of the degradation mechanisms of iron–nitrogen–carbon catalysts in proton exchange membrane fuel cells, 2023.7.19.
