연료전지의 내구성 120배 향상

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-08

- 실용화가 가까워지는 촉매 기술/ 수소 사회의 실현을 위하여 새로운 고성능화나 저가격화가 기대되는 연료전지 / 연료전지의 대폭적인 비용 삭감 - 규슈(Kyushu, 九州) 대학의 연구 그룹은 고체 고분자형 연료 전지(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell)에 이용하는 전극 촉매의 내구성을 기존 대비 120배에 향상시켰다고 발표하였다. 규슈 대학 카본 뉴트럴・에너지 국제 연구소(I2CNER)의 연구 그룹은 저온 가습 하에서 발전하는 고체 고분자형 연료 전지의 전극 촉매의 제작법을 연구하는 것으로 내구성의 비약적인 향상에 성공했다고 발표하였다. 기존 촉매의 120배에 상당하는 내구성을 얻을 수 있었다고 한다. PEFC는 전해질에 이온 전도성을 가지고 있는 고분자막(이온 교환막)을 이용하는 연료전지라고 한다. 100도 이하로 반응하는 것이 특징으로 `Energy-Farm`이나 연료전지 차량 등에 폭넓게 채용되고 있다. 한편 새로운 보급을 위하여 비용 저감이나 고성능화에 관한 연구 개발도 진행되고 있다. 그 중에서도 연구 개발의 중심이 되고 있는 것이 비용이나 효율, 내구성을 크게 좌우하는 전극 촉매의 개량에 관한 것이다. 일반적인 PEFC의 전극은 카본 블랙에 백금 나노 입자를 고정 흡착(담지)한 복합체와 수소이온을 전달하는 수지를 혼합시키고 있다. 이번 연구에서는 카본 나노튜브(CNT) 표면에 균일한 입경(粒徑)의 백금 나노 입자를 고분산으로 흡착시킨 촉매를 개발하고 수소이온을 전달하는 수지에는 상용화가 끝난 연료전지에도 이용되고 있는 Nafion을 이용하였다고 한다. 연구 그룹은 개발한 새로운 촉매와 시판되고 있는 촉매의 내구성을 비교하기 위하여 80도 가습 조건이라는 일반적인 조건 하에서 비교 실험을 실시하였다. 그 결과 시판되는 촉매를 이용했을 경우에서는 기전력이 5,000사이클 정도로 반감하는데 반해, 개발한 전극으로는 120배가 되는 60만 사이클 이상이나 되는 거의 기전력의 감소를 볼 수 없었다고 한다(<그림 1>). 보다 현행 재료에 가까운 수지를 이용한 성과로 연구 그룹은 뛰어난 내구성을 활용할 수 있는 획기적인 수법이라고 한다. 그리고 기존 CNT에 백금 나노입자를 탐지하는 것은 어려웠지만 연구 그룹은 이전 연구에서 폴리벤즈 이미다졸(Polybenzimidazole, 이하 PBI)이라는 소재를 `김`과 같이 사용하는 것으로 이러한 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하여 이번 연구에도 이 기술을 이용하고 있다. 현재 고체 고분자형 연료전지 보급을 위하여 저비용화, 고활성화, 고내구화의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 고성능화에 연관되는 재료나 제작법을 확립하여도 그 성과를 반영하기 위하여 제조 프로세스 그 자체를 재검토하지 않으면 안 되는 경우 많은 비용이 들게 된다. 연구 그룹은 이번 성과에 대해서 수소이온을 전달하는 수지도 Nafion이라는 현행 재료로 백금 나노 입자의 담지 수법도 기존과 같기 때문에 이전대로의 제조 프로세스를 유지할 수 있는 장점이 있다고 한다. 그리고 또 다른 하나의 메리트가 있다. 연료전지의 가격 저감을 막는 큰 요인 되어 있는 것이 촉매에 희소금속인 백금을 이용하고 있는 점이다. 연료전지 셀의 가격 가운데 약 4분의 1을 촉매에 사용하는 백금 비용이 차지하고 있다. 이번 성과는 전제한 이전 연구 그룹이 개발한 폴리벤즈 이미다졸을 이용하여 CNT에 백금 입자를 담지하는 기술에 의하여 저백금화도 도모할 수 있다. 이것은 백금 입자의 직경을 작게 하여 촉매 반응에 필요한 표면적을 늘려 담지하는 CNT에 폴리벤즈 이미다졸을 미리 코팅함으로써 이것에 의해 입경을 작게 하여도 백금 입자를 균일하고 알맞은 밀도로 담지할 수 있게 된다. 이런 이유로 적은 백금량으로도 기존과 동등한 성능을 유지할 수 있다고 한다(<그림 2>). 이번에 발표한 전극의 제조 수법은 이러한 기술의 연장에 있기 때문에 동인한 저백금화에 의한 비용 삭감도 전망할 수 있다고 한다. 하나의 과제를 예로 들면, 현 시점에서 이번 연구에서 이용하고 있는 CNT는 일반적인 전극에서 이용되고 있는 카본 블랙과 비교하여 고가라는 점이다. 그러나 최근 CNT의 플랜트 레벨로의 제조도 시작되었다고 한다. 기사). 연구 그룹은 `양산이 시작되고 있는 CNT에 대해서도 연료전지를 포함한 용도 개발과의 상승효과에 의하여 향후 대폭적인 비용 저감을 전망하고 있다. 따라서 이번에 발표한 전극 촉매도 저비용화를 충분히 기대할 수 있다. 향후 실용화를 위하여 바람직한 조건이 계속 되고 있다`고 한다.   <그림 1> 내구성 테스트의 결과 <그림 2> 규슈 대학이 개발한 독자적인 전극 촉매 제작법 ref_kwon-JapanKyushuFuelcellCatalystShinbun-20151127-1.jpg ref_kwon-JapanKyushuFuelcellCatalystShinbun-20151127-2.jpg http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1511/27/news023.html