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백금 촉매에 관하여 질문이 있습니다.

  • 작성일 2021-07-26
    작성자 조재현 조회 276
  • 카테고리 연료전지
안녕하세요, 저는 화학 전지를 공부하다 도저히 해결 못해 방황하던 한 고등학생입니다. 우선 질문의 기회를 얻게 되어 감사드립니다.

1. 교과서 상에는 연료전지에서 수소연료전지를 다룹니다. 하지만 여기서 단순한 발전 원리인 수소의 양이온화를 통해 전자가 이동하여 전류가 발생하는 것만 설명을 합니다(또한 촉매의 존재도 알려주지 않습니다). 그래서 제가 의문을 느낀 부분은 수소가 백금 촉매에 의하여 왜 이온화 되는지, 수소가 이온화 되어야 하는 구체적인 이유를 정확하게 모르겠습니다. 이 부분을 가능하면 과학적 원리로 설명 부탁드리겠습니다.

2. 위의 원리를 이용하여 현재 개발되고 있는 촉매의 동향이 궁금합니다.

고등학생 수준의 질문이라 다소 간단하고 기본적인 질문일 수 있으나 이번 제 탐구 주제로써 궁금증을 해결하고 싶어 찾게 되었습니다. 고맙습니다.

[답변 글]

  • 답변자 박구곤
  • 답변일 2021-07-27

안녕하세요. 연료전지 분야에 관심 가져주셔 감사합니다. 


1. 연료전지 셀의 구조 및 반응

 - 전기를 생산하는 기본 부품인 막전극접합체(MEA)는 전해질 막을 가운데 두고 양쪽에 백금계 전극촉매가 코팅되어 있는 구조를 가집니다. 

 - 셀구조 및 연료전지 반응 등에 대해서는 다음의 링크를 참고하세요. (https://www.youtube.com/watch?v=n2D6_ZhIHuU)

 - 연료전지는 수소와 산소를 합쳐서 물을 만드는 과정에 전자의 흐름이 발생하고, 이를 활용하여 발전하는 장치입니다. 

 - 연료극(Anode)에 공급된 수소는 촉매 표면에 흡착하면서, 수소이온과 전자로 분리 및 다시 합쳐지는 반응이 반복적으로 발생합니다. 

 - 공기극(Cathode)에 공급되는 산소가 연료극에서 넘어온 수소이온을 만나면 물(H2O)이 생성될 수 있습니다. 이 때 반응식을 보면, 수소이온(H+)의 "+"의 밸런스를 맞추어 주는 전자(e-)가 필요합니다. 

 - 연료극에서는 수소이온이 만들어지면서 함께 생성된 전자가 남아 돕니다. 이 전자를 공기극으로 공급하면 물이 원활히 만들어 지는데, 이를 위해서 연료극과 공기극을 연결해 주면 전자의 흐름이 생깁니다. 전자흐름의 반대 방향으로 전류의 흐름이 생기는데, 이 과정이 연료전지를 이용한 전력생산 과정이 되겠습니다. 

 - 이런 전기화학반응(흡착-분리(혹은 결합))이 일어나기 위해서는 촉매가 필요한데, 운전온도가 낮은 경우는 백금과 같은 비싼 금속 나노입자 표면에서 위와 같은 반응이 일어날 수 있습니다. 


2. 전극촉매 개발 현황

 - 자동차 등 100도씨 보다 낮은 온도에서 주로 운전되는 고분자전해질연료전지(PEMFC) 경우는 백금과 같은 귀금속이 전극촉매로 주로 활용되어 왔습니다. 

 - 입자크기 약 (2 ~ 5) nm 의 백금 입자가 (20 ~50) nm 크기의 탄소 알갱이 위에 분산되어 있는 형태가 일반적인 Pt/C 촉매입니다. 

 - 최근에서는 값비싼 백금의 양을 줄여서, 연료전지 전체 가격을 낮추기 위해서, 백금과 다른 금속의 합금(Alloy), 코어쉘구조(Core-shell), 형상제어(Shape-controlled) 금속 나노입자를 촉매의 활성금속으로 사용하며, 백금 사용양을 줄이면서도 성능은 높이는 연구를 하고 있습니다. 

 - 먼 미래를 위해서는 백금 등 귀금속을 사용하지 않는 전극촉매에 대한 연구도 진행 중입니다.  

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