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2023년 12월 18일 (월) 00:44 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 연료전지에서 촉매를 올린 카본전극에 질소를 도핑하여 전류밀도 향상

영문 : The higher current density with ceria on N-doped carbon for fuel cell

과제 팀명

라스트댄스

지도교수

이두환 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2018340049 홍승희(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2016340045 조형창

서울시립대학교 화학공학과 2018340040 전해진

서울시립대학교 화학공학과 2018340050 홍현수

서울시립대학교 화학공학과 2019340036 이세형

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 수소연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 기술의 성숙도가 높고 자동차 산업용으로 큰 기대를 모으고 있지만 수소 인프라 확대, 고분자 전해질막 내구성, 백금(Pt)촉매의 비싼 가격 등이 해결 과제로 남아있다.

◇ 수소연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 기체인 산소와 수소의 전기화학 반응을 이용하기 때문에 백금(Pt)촉매의 사용이 요구되고 PEMFC에 사용되는 백금(Pt)촉매 활성화에 도움을 주는 다른 촉매를 전극에 올리면 백금(Pt)촉매의 효율을 높여 사용량을 줄일 수 있다.

◇ Pt활성화에 도움을 준다고 알려진 CeO2를 전극에 올리면 전도성이 감소하여 낮은 전류밀도를 얻는다는 단점이 있다.

◇ 수소연료전지 전극에 다른 촉매와 CeO2를 올려 백금촉매 활성과 전도성 증가 효과가 동시에 가능하다면 더 저렴한 가격으로 좋은 성능의 수소연료전지 보급이 가능할 것이다.

◇ VRFB와 PEMFC의 구조적 유사성을 이용하여 VRFB 전해질을 이용하여 촉매를 올린 카본전극의 전류밀도를 측정하고 실제 연료전지에 적용이 가능한지 연구해본다.

개발 과제의 배경

◇ 수소연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 기술의 성숙도가 높고 자동차 산업용으로 큰 기대를 모으고 있지만 수소 인프라 확대, 고분자 전해질막 내구성, 백금(Pt)촉매의 비싼 가격 등이 해결 과제로 남아있다.

◇ 백금 사용량의 저감이나 백금 효율성 증가를 위해 비백금계 촉매 개발, 촉매의 나노 구조 조정을 통한 활성 증대 등 기술 연구가 계속해서 진행되고 있다.

◇ VRFB(Vanadium Redox Flow Battery)등 카본 전극을 사용하는 배터리에서 전극의 전기전도성을 높이기 위해 질소, 산소 등의 다른 원소들을 도핑하는 연구도 활발하게 진행된 상태이다.

◇ 수소연료전지 전극에 촉매를 올려 백금촉매 활성과 전도성 증가 효과가 동시에 가능하다면 더 저렴한 가격으로 좋은 성능의 수소연료전지 보급이 가능할 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

최종 목표

◇ CeO2 촉매를 올린 카본 전극의 전류밀도 향상 연구

세부 목표

◇ VRFB와 PEMFC의 공통점과 차이점을 분석하고 관련 연구들을 조사해보면서 전기화학반응의 원리에 대하여 분석한다.

◇ CeO2를 전극에 올릴 경우 카본전극에서의 전기화학적 반응이 어떻게 변화하는지 관련 연구들을 조사해 분석해본다.

◇ 카본 전극에 다른 원소를 도핑할 경우 전극의 전도성과 관련된 연구를 조사해보고 원리에 대하여 분석한다.

◇ VRFB와 PEMFC의 구조적 유사성을 이용하여 VRFB 전해질을 이용하여 카본의 전류밀도를 측정하고 실제 연료전지에 적용이 가능한지 연구해본다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇ 수소연료전지에 사용되는 백금 사용량의 저감이나 백금 효율성 증가를 위해 비백금계 촉매 개발, 촉매의 나노 구조 조정을 통한 활성 증대 등 기술 연구가 계속해서 진행되고 있다. 그러나 백금 나노입자의 크기를 줄여 활성 표면적을 크게 하는 기술 등은 나노입자 사이즈의 한계로 인해 더 발전이 불가능하고, 백금 사용량을 줄이기 위하여 백금과 혼합하여 사용하는 코발트(Co), 니켈(Ni) 같은 원소들도 가격이 꽤 나가는 편인데 비하여 백금촉매 자체 만큼의 성능을 보이지는 못하는 상황이였다.

◇ 이후 철-질소-탄소를 이용한 촉매를 개발하는데 성공하였어도 높은 전력밀도를 나타내지는 못하여 백금으로 대체하기에는 어려움이 있었다. 최근에는 철-질소-탄소 혼합물을 이용한 촉매가 44% 향상된 성능을 보여 백금 촉매 대체의 가능성을 보여주고 있다.

◇ 최근에는 수소연료전지의 고분자 전해질막 파괴의 원인으로 전극에서 반응할 때 생기는 라디칼을 제거하는 용도로 CeO2 사용가능성이 언급되고 있고, 전극에 CeO2와 다른 원소를 함께 올려 촉매활성화와 전력밀도 향상 등에 관한 연구가 진행되고 있다.

특허조사

◇ 비백금 촉매 및 그래핀 적층구조를 포함하는 연료전지용 전극

비백금 촉매 및 그래핀 적층구조를 포함하는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 탄소지지체, 질소 및 비백금 전이금속을 포함하는 비백금 촉매복합체와 전도성 고분자를 함께 포함하는 촉매층을 그래핀층과 교대로 적층하여 백금을 사용하지 않으면서, 가격이 비교적 저렴한 전이금속을 통하여 우수한 전극 효율을 구현한 연료전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 이를 통해 수소연료전지에 사용되는 백금을 대체하기 위하여 다양한 비백금촉매를 개발하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다는 것을 알 수 있다.

◇ 이종원소가 도핑된 탄소층으로 둘러싸인 연료전지용 전극 촉매 및 이의 제조방법

연료전지용 전극 촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지용 전극 촉매에서 백금과 같은 귀금속의 사용량을 줄이고 촉매의 내구성이 향상시키기 위해서, 금속 입자, 상기 금속 입자 표면을 둘러싸며 질소(N), 황(S), 인(P) 중에서 선택된 어느 하나의 이종원소가 도핑된 탄소층, 및 상기 이종원소가 도핑된 탄소층의 표면과 접하여 금속 입자를 수용하는 탄소 지지체를 포함하는 이종원소가 도핑된 탄소층으로 둘러싸인 연료전지용 전극 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 이를 통해 탄소전극에 다른 질소 등과 같은 원소와 촉매활성화에 도움을 주는 원소들을 이용하여 촉매활성화 및 촉매 내구성 증가를 통해 기존 백금 사용량을 감소시켜 연료전지의 가격을 낮추기 위한 연구가 진행되고 있다는 것을 알 수 있다.

◇ 라디칼 스캐빈저 입자 층을 포함하는 복합 전해질막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지

라디칼 스캐빈저 입자 층을 포함하는 복합 전해질막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 복합 전해질막은 매우 얇은 라디칼 스캐빈저 입자 층이 전해질막의 양단에 전사되어 전해질막을 보호할 수 있으며, 라디칼 스캐빈저 입자가 전해질막 표면에 매우 얇게 잘 분산된 특성을 활용하여 이종입자 첨가에 의한 수소 이온 전도도 감소를 최소화한다. 이를 통해 CeO2가 라디칼 스캐빈저로 활용이 가능하고 연료전지에 적용이 가능하다는 것을 알 수 있다. CeO2를 사용하여 수소연료전지 전극에서 발생하는 라디칼을 제거할 경우 고분자 전해질막의 수명이 증가함에 따라 수소연료전지의 수명을 증가시킬 수 있다.

특허전략

◇ 전 세계 연료전지 시장은 2018년부터 2023년까지 연평균 25%이상 성장할 것으로전망되며, 주로 수송용 연료전지를 중심으로 성장할 것으로 전망된다. 2018년 기준, 수송용이 전체 시장의 68.1%, 고정형이 31.8%, 휴대용이 0.1% 순이다. 수소전기차로 확장된 연료전지 시장은 선박, 가정･건물용 연료전지, 중대형 발전용 연료전지 등 다양한 활용을 통해 성장할 것으로 기대된다. Fig.1 연료전지 시장 규모 및 전망

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용

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 ◇ 전 세계 연료전지 시장은 2018년부터 2023년까지 연평균 25%이상 성장할 것으로전망되며, 주로 수송용 연료전지를 중심으로 성장할 것으로 전망된다. 2018년 기준, 수송용이 전체 시장의 68.1%, 고정형이 31.8%, 휴대용이 0.1% 순이다. 수소전기차로 확장된 연료전지 시장은 선박, 가정･건물용 연료전지, 중대형 발전용 연료전지 등 다양한 활용을 통해 성장할 것으로 기대된다.
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 '''Fig.1 연료전지 시장 규모 및 전망'''