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심준형 교수 연구팀, 수소차 연료전지 성능 2배 향상 시키는 기술 개발... 배터리 전기차 대안으로 주목
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｜2023.08.21
▲ (왼쪽부터) 심준형 기계공학부 교수(연구책임자, 교신저자), 서범근 박사과정(제1저자)
수소전기차는 미래 친환경 자동차로 각광 받고 있다. 특히 장거리 수송용 차량으로 배터리 전기차의 대안으로 많은 주목을 받고 있다. 수소전기차는 폴리머 전해질 연료전지(PEMFC)에서 수소를 전기로 바꾸어 에너지원으로 사용한다. 그러나 이러한 PEMFC는 고가의 백금 촉매를 다량 사용하기에 수소차 상용화 및 보급에 걸림돌이 되고 있다.
이와 관련하여 고려대학교 공과대학(학장 이해근) 기계공학과 심준형 교수 연구팀이 같은 양의 백금 촉매로도 연료전지 성능을 2배 이상 높일 수 있는 기술을 개발하며, 활성도 높은 세륨 산화물을 백금 지지체에 코팅하여 촉매 성능과 PEMFC 출력을 획기적으로 높이는 데 성공해 눈길을 끌었다.
수소차 생산 원가의 40%를 연료전지 스택이 차지하고 있고, 스택 원가의 절반 이상이 촉매 관련 비용이다. 따라서 수소차의 상용화를 위해서는 촉매 사용을 줄이거나, 최소한의 촉매를 사용하여 성능을 극대화하는 것이 필요하다. 특히 촉매로 사용되는 백금은 완벽하게 대체할 수 있는 물질 개발이 거의 불가능하다.
이와 관련하여 고려대학교 공과대학(학장 이해근) 기계공학과 심준형 교수 연구팀이 같은 양의 백금 촉매로도 연료전지 성능을 2배 이상 높일 수 있는 기술을 개발하며, 활성도 높은 세륨 산화물을 백금 지지체에 코팅하여 촉매 성능과 PEMFC 출력을 획기적으로 높이는 데 성공해 눈길을 끌었다.
수소차 생산 원가의 40%를 연료전지 스택이 차지하고 있고, 스택 원가의 절반 이상이 촉매 관련 비용이다. 따라서 수소차의 상용화를 위해서는 촉매 사용을 줄이거나, 최소한의 촉매를 사용하여 성능을 극대화하는 것이 필요하다. 특히 촉매로 사용되는 백금은 완벽하게 대체할 수 있는 물질 개발이 거의 불가능하다.
▲ 심 교수 연구팀의 연구 결과가 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 표지 논문에 게재되었다.
심 교수 연구팀은 같은 양의 백금을 쓰더라도 지지체 상에 세륨 산화물을 먼저 처리하고 사용하면 전기화학 활성도가 2배 이상 올라가는 것을 확인했다. 이를 사용해 제작된 연료 전지는 약 1.5배 이상의 출력 향상이 있는 것으로 파악됐다. 연구팀은 경제성과 생산성을 고려해 산화물 코팅은 비진공 에어로졸 공정으로 처리했다.
특히, 상용 수소차 연료전지는 장기 내구성이 중요하다. 심 교수 연구팀이 개발한 산화물 처리 과정은 전체적인 내구성에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 확인됐다. 이 같은 검증을 위해 연구팀은 개발된 촉매를 연료전지 구동 환경에서 표준 가속 노화 시험 3만 사이클 이상 수행했다.
심 교수는 “같은 양의 백금으로 성능을 2배 높이면 수소차 스택 가격을 30% 이상 절감할 수 있다. 이 연구 결과는 수소차와 연료전지의 상용화에 큰 도움이 될 것이며, 이러한 성과를 인정받아 표지 논문으로 선정된 것으로 본다”라며 연구 성과의 의의를 밝혔다.
한편, 심 교수 연구팀 소속 서범근 박사 과정 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 일환으로 수행되었으며, 연구 결과는 저명 학술지인 「ACS Sustainable Chemistry & Engineering」(IF: 9.224, JCR 분야 상위 8.9%) 최신호 표지논문으로 게재됐다. /공과대학신문
* 논문명 : Performance Enhancement of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells with Cerium Oxide Interlayers Prepared by Aerosol-Assisted Chemical Vapor Deposition)
특히, 상용 수소차 연료전지는 장기 내구성이 중요하다. 심 교수 연구팀이 개발한 산화물 처리 과정은 전체적인 내구성에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 확인됐다. 이 같은 검증을 위해 연구팀은 개발된 촉매를 연료전지 구동 환경에서 표준 가속 노화 시험 3만 사이클 이상 수행했다.
심 교수는 “같은 양의 백금으로 성능을 2배 높이면 수소차 스택 가격을 30% 이상 절감할 수 있다. 이 연구 결과는 수소차와 연료전지의 상용화에 큰 도움이 될 것이며, 이러한 성과를 인정받아 표지 논문으로 선정된 것으로 본다”라며 연구 성과의 의의를 밝혔다.
한편, 심 교수 연구팀 소속 서범근 박사 과정 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 일환으로 수행되었으며, 연구 결과는 저명 학술지인 「ACS Sustainable Chemistry & Engineering」(IF: 9.224, JCR 분야 상위 8.9%) 최신호 표지논문으로 게재됐다. /공과대학신문
* 논문명 : Performance Enhancement of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells with Cerium Oxide Interlayers Prepared by Aerosol-Assisted Chemical Vapor Deposition)
