Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(1)

고분자전해질 연료전지용 촉매 기술 동향

박준우_한국과학기술원 신소재공학과 박사과정
조은애_한국과학기술원 신소재공학과 교수

1. 서론

우리나라를 비롯한 세계 각국에서 지구온난화를 막기 위해 이산화탄소 배출 감소를 주 내용으로 하는 탄소중립에 대한 정책을 내놓으며 탄소중립사회로 나아가고 있다. 탄소중립사회로의 성공적인 전환을 위해서는 수소를 에너지로 사용하는 수소경제의 실현이 시급하다. 우리나라는 2019년 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’ 발표를 통해 세계 최고수준의 수소경제 선도국가로 도약하고자 하는 비전과 계획을 선포하였다. 현재, 우리나라는 연료전지를 사용한 세계 최초 수소차 양산을 비롯한 수소의 활용분야에서 이미 세계적인 기술을 확보하고 있다.
　연료전지는 수소를 연료로 하여 연료극(Anode) 과 공기극(Cathode)에서 일어나는 화학반응의 전위차를 이용해 전기를 생산한다. 전체 화학 반응식은 물의 전기분해의 역반응이며, 연료극에서는 수소가 산화되어 전자가 생성되고 공기극에서는 산소가 환원되어 물이 생성된다.
　
　　　　Anode:   H2 → 2H+ + 2e-
　　　　Cathode:  1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
　　　　Total:   H2 + 1/2 O2 → H2O,  Eo = 1.23 V
　
　연료전지 전체 반응의 평형전위는 1.23 V 이지만, 활성화분극, 연료손실 등으로 인해 실제로 얻을 수 있는 전위는 이보다 낮다. 연료전지는 연료극과 공기극사이에서 전하를 전달하는 전해질의 종류에 따라, 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 인산염 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 그리고 고분자전해질 연료전지(PEMFC)등으로 구분된다.　
  고분자전해질 연료전지(PEFMC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 비교적 저온에서 작동하고, 출력 밀도가 높아 자동차용 전원 및 건물용 발전장치로써 널리 사용되고 있다. 그러나, PEMFC가 상용화되기 위해서는 가격저감과 성능 및 내구성의 향상이 필요하다.
　
2. 기술 소개
　
　그림 1. PEMFC 단위전지의 구조
　
PEMFC는 고분자전해질 막을 중심으로 연료극(H2)과 공기극(Air, O2)으로 구성되어 있으며, 기체 및 냉각수의 공급을 위한 분리판(Seperator, Bipolar plate(flow field))과 기체의 확산을 용이하게 해주는 기체확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)으로 이루어져 있다 (그림 1). 연료전지를 제작할 때에는 연료극, 전해질 막, 공기극을 일체형으로 제조하는데, 이를 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)라고 한다. MEA는 연료전지의 성능 및 내구성에 가장 큰 영향을 미치는 구성요소이다. PEMFC를 건물이나 자동차용 전원으로 사용하기 위해서 단위전지를 적층하여 스택(Stack)을 제조해 출력(전압)을 증가시켜 사용한다.
　
　2-1. PEMFC 전극과 촉매
PEMFC는 연료극(Anode)에서 수소산화반응(HOR, Hydrogen Oxidation Reaction)으로 생성된 전자와 수소이온이 각각 외부 도선과 전해질 막을 통해 공기극(Cathode)로 이동한다. 공기극에서는 산소환원반응(ORR, Oxygen Reduction Reaction)이 일어나며 물이 생성된다. 이때, ORR이 HOR에 비해 반응속도가 매우 느리기 때문에 ORR의 반응속도를 향상시키는 것이 PEMFC 성능을 증가시키기 위한 핵심요소이다.3
　공기극에서는 아래 반응식과 같이, 산소(O2)가 촉매표면에 흡착해 산소원자(*O)로 해리되고 수산화이온(*OH)을 형성하여, 물(H2O)을 생성하는 반응이 이루어지기 때문에 촉매와 산소종(*O, *OH)간의 결합세기가 ORR 활성을 결정짓는 주요인자이다.3
　O2 + H+ + e- → *OOH …… (1)
　*OOH + H+ + e- → *O + H2O …… (2)
　*O + H+ + e- → *OH …… (3)
　*OH + H+ + e- → H2O …… (4)
　
　촉매와 산소종간의 결합세기는 O2를 흡착해 *OOH로 변화시키기에 충분할 정도로 세야 하지만 *OH를 H2O로 변화시켜 촉매표면에서 제거시킬 수 있을 정도로 약해야 한다. 이처럼 산소종과 촉매표면의 결합세기를 통해 ORR 활성을 예측할 수 있는데, 이를 도식화한 그래프를 화산 플롯(Volcano plot) 이라고 한다 (그림 2). 단일금속 중 ORR 활성이 가장 높은 금속은 백금(Pt)이며, 탄소입자에 Pt 나노입자가 담지된 Pt/C 촉매를 PEMFC의 전극에 사용한다.

-----이하 생략

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