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신소재/부품 연료전지 개발동향

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2019-09-02 11:50:00
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○ 연구개발 내용을 살펴보면, PEFC의 경우, 본격 보급 시 연료전지 시스템 비용에서 차지하는 전극 촉매의 비율이 매우 높을 것으로 예측되기 때문에 Pt의 사용량을 현재의 10분의 1로 절감하는 저백금화 기술, 또는 탈 Pt 촉매의 기초연구가 세계적으로 실시 중임. 전자의 경우 코어 셀 촉매, 합금촉매, 후자로는 카본계 촉매, 금속 질화물이 있음.

 

① 코어 셸 촉매

○ 코어 셸 촉매는 코어를 백금 이외의 금속이나 백금합금을 사용하여 촉매반응이 일어나는 표면부분(셸)에 백금을 배치한 촉매임. 성능 면에서는 코어의 Pd 구조를 제어한 것임. Pd-Ir을 합금화한 코어를 사용하여 최대 11대 정도의 질량활성을 얻을 수 있다고 보고됨. 내구성 면에서도 기존의 백금촉매에 비해 높은 내구성을 지닌다고 보고됨.

 

② 합금촉매

○ 백금 이외의 금속(Co, Ni, Fe, Cu, Ag, Au, Pd, La 등)과 합금화하여 백금의 질량활성을 증가시키는 방법임. 일본 도요타 MIRAI에는 백금 코발트 합금 촉매가 채택되었으며, 기존의 백금촉매의 1.8배의 활성을 나타냄. Co나 Ni를 이용한 경우가 많은데, 기타 금속을 이용한 보고나 3원계, 4원계 합금촉매의 보고도 있음. 합금촉매는 저백금/비백금 촉매 중에서도 가장 많이 검토 중인 영역임. 그 중에서도 특히 미국에서의 진척이 눈에 띄며, DOE 프로젝트의 성과로서 기존의 Pt 촉매에 비해 25배 정도의 활성을 나타내는 격자형 구조를 지닌 Pt3Ni 촉매가 보고됨.

 

③ 카본계 촉매

○ 카본 알로이, 질소 도프 탄소재료 등이 있음. 카본계 촉매는 카본 원자의 집합체를 주체로 한 다성분계로 이루어지며, 그들 구성단위 간에 물리적/화학적인 상호작용을 지닌 재료로 정의되어 있음.

 

○ 다수의 보고에 따르면, 질소 등을 포함한 폴리머 수지와 코발트나 철 등의 천이금속, 천이금속 착체를 혼합하여 탄소화하여 얻어짐. 카본 알로이 촉매는 비백금 촉매로 높은 탄소환원활성을 갖는 특징이 있음. 현재는 기초연구단계이며, 실사용 환경인 공기를 산화제로서 평가한 보고는 드물게 성능이 보고되고 있음. 단, 현재로서는 백금촉매에 비하면 불충분하며 개선 필요

 

④ 금속산 질화물

○ 금속산 질화물은 밸브 메탈로 알려져 있는 4 및 5족 원소를 이용한 금속 산화물임. 탄질화물이나 유기 착체를 소성하여 얻어지며, 금속종으로는 Ta, Nb, Zr, Ti 등의 금속 산화물이 산소환원활성을 나타낸다고 보고됨.

 

○ 최근에 Ti4O7 등을 이용한 올 금속산 질화물계 촉매의 개발도 진행되고 있으나, 성능개선이 필요함. 본 분야는 일본에서 연구가 많은 영역이며, NEDO 고체고분자형 연료전지 실용화 추진기술개발, 고체고분자형 연료전지 이용 고도화 기술개발사업에서 요코하마 국립대학을 중심으로 한 그룹 이 연구 중임. 그 중에서도 쇼와전공(주)이 주목받고 있음.

 

○ 또한, 실용전극 내에서의 촉매의 유효이용률 향상을 목표로 한 연구가 이루어지고 있음. 아울러, 촉매활성 향상뿐만이 아니라, 내구성이나 MEA(Membrane Electrode Assembly)로서 실용성을 겸비한 재료가 요구 중임.

 

▪ PEFC용 전해질막

- 실용화된 불소계 전해질막으로는 미국/유럽/일본을 중심으로 활발한 연구개발 중임. 특히, 안정성과 내구성 향상을 위한 일본기업(아사히 카세이, 아사히 가라스 등)의 연구는 높은 수준이며, 분해 구조에 대한 상세한 규명과 이를 바탕으로 한 분자설계가 결실을 맺고 있음. 분자 단말 보호, 측쇄(側鎖) 에테르 결합의 수와 부위의 최적화, 안정제 첨가로 기존의 막에서는 수백시간 만에 현저한 분해가 일어난 고온저습도 조건에서도 뛰어난 내구성을 지닌 전해질막을 개발 중임.

 

- 또한, 가습기 없는 운전을 위해 전해질막의 박막화가 주목받고 있음. 10마이크론 정도의 박막화로 물수송능력이 향상되어, 연료전지 반응으로 생성되는 물을 카소드에서 아노드로 수송하여 막 전체를 가습함. 연료전지 열화원인이 되는 가스 크로스오버가 높아지고 내구성과의 균형이 중요해짐. 박막화 기술로는 다공 박막재료의 세공 속에 전해질 폴리마를 충전한 복합막으로 실현함.

- 非불소계 전해질막으로는 방향족 탄화수소계 전해질막을 중심으로 다양한 재료가 검토 중이며, 정밀한 분자설계와 물성의 정밀한 평가에 있어서 일본의 연구개발이 이 분야를 이끌고 있음. 블록 공중합체(block copolymer)로 저가온 대응 가능성이 열린 것이 최근의 중요 성과이며, 불소계 전해질과 비슷한 정도의 도전율이 달성됨. 앞으로의 내구성 향상이 개발의 열쇠임.

 

▪ PEFC용 확산층

- PEFC는 생성되는 물이 특히, 고전류 밀도 영역의 운전을 저해함. 이 때문에 물을 배출하는 기술이 중요하며, 확산층 및 전극과 확산층 사이의 마이크로 폴라 슬레이어(MPL)의 친소수화(親疎水化) 기술 등이 있음. 또한, 100~150℃에서 안정적으로 운전할 수 있는 PEFC 개발도 기대됨.

 

▪ SOFC

- 커다란 기술과제였던 내구성을 클리어하는 셀 메이커가 늘어나고 있음. 열화 메카니즘의 해명도 착실히 진행되어 형상이 다른 각 타입의 SOFC 셀 스택의 최적화가 진행 중.

 

- 차재용 SOFC는 닛산 자동차가 SOFC 탑재 FCV의 2020년 실용화를 발표했으며, 브라질에서 시제품을 공개함. 이것은 바이오 에탄올을 연료로 개질기로 개질한 후 SOFC로 발전, 전기 모터의 구동원으로 이용하는 것임.

 

- 업무용 SOFC로는 미쯔비시 히타치 시스템이 SOFC 하이브리드기를 활용하여 수소를 제조하는 컨셉을 제안 중임. SOFC의 잉여열을 이용하여 연료개질로 수소를 제조하는 아이디어인데, SOFC로부터 추출하는 에너지로서 통상적인 코제너레이션 시스템이 전기 및 열만을 병산(倂産)하는데 비해, 새롭게 수소를 제조하는 것이 가능하며, 트리 제너레이션 시스템이라고도 불림.

 

- 트리 제너레이션 시스템으로는 전기, 열, 수소의 비율을 자유롭게 바꾸는 것이 가능하며, 수소 스테이션으로의 이용 등이 기대됨. FCV의 대수가 늘어나면 수소를 생산하는 등 자유도 높은 운용이 기대됨.

 

- 주목할 만한 움직임으로는 미국 DOE 에너지 고등연구 계획국(ARPA-E)에 의해 2014년에 중온형 연료전지로 특화한 13건의 프로젝트로 이루어진 프로그램(REBELS(Reliable Electricity Based on Electrochemical Systems)이 시작됨. 이 프로그램은 200~500℃의 중온영역에서 작동하는 분산형 연료전기 개발로 PEFC와 SOFC의 양쪽 이점을 도입하여 새로운 기능(메탄 원료로부터 연료전해 합성 등)을 목표로 함.

 

 

 

관련 도서 : [신소재ㆍ부품 개발의 핵심 원천기술인 나노ㆍ소재 세부분야별 국내외 기술개발 동향과 향후 전망] 보고서 상세 보기

http://www.irsglobal.com/shop_goods/goods_view.htm?category=03000000&goods_idx=83064&goods_bu_id=

 

 

 

 

 

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