Electrode degradation during a chemical/mechanical accelerated stress test of membranes in polymer electrolyte membrane fuel cells

연료 전지는 흔히 미래의 깨끗한 엔진으로 묘사되곤 합니다. 이는 무언가를 태우거나 연기를 내뿜지 않고도 수소와 산소를 전기로 바꾸는 장치입니다. 이 기계 내부에서는 얇고 유연한 시트인 막(membrane)이 작동의 핵심 역할을 합니다. 이 막은 미세한 전하 입자들이 통과할 수 있게 하면서도 연료 가스들을 서로 분리해 두는데, 이는 장치가 작동하기 위해 반드시 유지되어야 하는 섬세한 균형입니다. 하지만 끊임한 스트레스를 받는 여타의 기계 부품들과 마찬가지로, 이 막 또한 마모될 수 있습니다. 현실 세계에서 연료 전지는 변화하는 습도와 온도에 직면하며, 이로 인해 막은 반복적으로 부풀어 오르고 수축합니다. 과학자들은 이 장치가 얼마나 오래 지속될지 예측하기 위해, 몇 주 만에 수년의 마모를 모사하는 가속 테스트를 사용합니다. 즉, 특정 전압을 유지한 채 막을 급격한 습윤 및 건조 사이클에 노출시키는 방식입니다.

수년 동안 연구자들은 이러한 특정 테스트가 오직 막 자체의 내구성만을 측정하도록 설계되었다고 믿어 왔습니다. 만약 막이 스트레스를 견뎌낸다면 나머지 연료 전지도 괜찮을 것이라는 가정이었습니다. 한예준과 권필 박사가 이끄는 한국 연구팀은 이 테스트 중에 막의 양옆에 놓인 금속 촉매에 어떤 일이 일어나는지 더 자세히 들여다보기로 했습니다. 그들은 이 가혹한 조건이 전기를 만드는 역할을 하는 전극에도 소리 없이 손상을 입히고 있는 것은 아닌지 알고 싶었습니다. 그들의 조사는 더 복잡한 이야기를 드러냈습니다. 이 테스트는 단순히 막에 스트레스를 주는 것뿐만 아니라, 전극과 막이 동시에 퇴화하는 연쇄 반응을 유발하여 전체 시스템의 실패를 가속화한다는 사실이었습니다.

연구진은 얇은 막을 사용해 표준 연료 전지를 제작하고, 화학 반응을 가속하는 촉매 역할을 하는 귀금속인 백금을 전극에 코팅했습니다. 그런 다음 이 셀을 극한의 환경적 스트레스를 모사하도록 설계된 6,000회의 습윤 및 건조 사이클에 노출시켰습니다. 처음 5,000회의 사이클 동안 셀은 예측 가능한 방식으로 작동했습니다. 막이 물을 흡수하고 방출함에 따라 전압이 약간 변동했지만, 이러한 변화는 가역적이었습니다. 즉, 셀은 매번 다시 회복되었습니다. 임무를 수행하는 백금의 양은 천천히 감소했고, 막은 대체로 온전하게 유지되었습니다. 이 단계에서는 테스트가 예상대로 진행되고 있는 것처럼 보였으며, 막은 기계적 긴장 속에서도 잘 버티고 있었습니다.

그러나 테스트가 5,000회 사이클을 넘어서자 연료 전지의 거동이 극적으로 변했습니다. 전압 변동이 영구적이고 심각해졌는데, 이는 되돌릴 수 없는 무언가가 발생했음을 알리는 신호였습니다. 연구진은 서서히 퇴화하던 백금 촉매가 마침내 임계점에 도ر했다는 것을 발견했습니다. 아주 작은 점이었던 금속 입자들이 서로 뭉쳐 점점 커지기 시작했고, 결과적으로 전기를 효율적으로 생성하는 능력을 상실하게 되었습니다. 더 결정적으로, 이 백금 중 일부가 녹아내려 막 내부로 이동했습니다. 이 금속 입자들이 막 안에 자리 잡으면서, 전자가 가서는 안 될 장벽 너머로 새어 나가게 하는 미세한 전도성 다리(conductive bridges)를 만들었습니다. '쇼트(shorting)'라고 알려진 이 현상은 엔진의 의도된 경로를 우회하는 작은 내부 전기적 결함과 같습니다.

내부 쇼트의 증거는 놀라웠습니다. 연구진은 열화된 연료 전지를 관찰하기 위해 열화상 카메라를 사용했으며, 온도가 급격히 상승한 특정 핫스팟(hot spots)을 찾아냈습니다. 이 핫스팟은 전자가 누설되어 막이 손상된 지점과 정확히 일치했습니다. 이러한 전도성 경로의 존재는 막이 더 이상 수동적인 장벽이 아니라, 능동적인 전기적 실패의 지점이 되었음을 의미했습니다. 분리되어 있어야 할 수소 가스가 훨씬 더 많은 양으로 막을 가로질러 넘어오기 시작했고, 이는 화학적 붕괴를 더욱 가속화했습니다. 막이 얼마나 오래 버틸 수 있는지를 측정하기 위해 의도되었던 이 테스트는, 의도치 않게 전극의 퇴화를 함께 일으켰으며, 그 결합된 퇴화가 단독으로 있을 때보다 막을 훨씬 더 빠르게 파괴했습니다.

데이터에 따르면 6,000회의 사이클이 끝날 무렵, 백금 촉매의 활성 표면적은 절반으로 줄어들었고, 전기적 쇼트에 대한 저항력은 최저 수준으로 떨어졌습니다. 연구진은 마지막 1,000회의 사이클 동안 촉매 퇴화율이 5배나 증가했음을 관찰했는데, 이는 바로 그 촉매가 만들어낸 쇼트에 의해 유도된 급격한 가속이었습니다. 이 발견은 이러한 내구성 테스트가 작동하는 방식에 대한 전통적인 관점에 도전합니다. 이는 OCV-Wet/Dry 사이클이 막만을 고립시켜 테스트하는 것이 아니라, 전체 어셈블리가 함께 작동하는 과정을 테스트하는 것임을 시사합니다. 금속 촉매의 퇴화와 막의 기계적 스트레스는 하나가 다른 하나의 실패를 가속화하는 악순환 속에서 서로 연결되어 있습니다.

이 연구는 연료 전지의 내구성을 평가하는 데 사용되는 표준 프로토콜이 실제로는 전극과 막 모두에 동시에 스트레스를 주는 결합된 테스트라는 결론을 내립니다. 연구진은 막이 기계적 스트레스 때문만이 아니라, 전극이 함께 퇴화하면서 막의 파괴를 가속화하는 전도성 경로를 생성했기 때문에 실패했다는 것을 발견했습니다. 막 내부로 용해되어 재침착된 백금 입자들은 막 자체의 붕괴를 돕는 촉매 역할을 했습니다. 이는 엔지니어들이 장기 사용을 위한 연료 전지를 설계할 때, 단순히 막을 더 튼튼하게 만드는 데만 집중해서는 안 된다는 것을 의미합니다. 만약 촉매가 실패한다면 막도 뒤따를 것이기 때문에, 반드시 특정 스트레스 조건 하에서 촉매가 안정적으로 유지되도록 보장해야 합니다. 더 내구성이 뛰어난 연료 전지로 가는 길은 이들을 별개의 구성 요소로 취급하는 것이 아니라, 금속 촉매와 고분자 막 사이의 이 복잡한 관계를 이해하는 데 있습니다.