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저온 연료전지의 백금 삼원촉매 : 전기화학 특성

전문가 제언: ○ 이 글에서 초점을 맞추고 있는 저온 연료전지는 수송용으로 활발한 연구가 진행되고 있는 PEMFCs(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)가 주된 대상이다. 1960년대부터 현재까지 PEMFCs의 멤브레인, 양/음극 촉매, 쌍극판 재료들이 시스템디자인 등과 함께 많은 R&D의 진전이 있었다. 그러나 이들 진전은 PEMFCs의 대형 상업화를 이루는 데 아직 충분치 못하다.

○ 이들 촉매에서 가장 중요한 소재는 Pt이며 자원적인 제한 때문에 이의 사용량의 저감과 보다 우수한 소재의 개발이 주류를 이루고 있다. 2020년 세계의 자동차 수는 15억 대를 넘을 것으로 예측하고 있다. 현재의 기술수준은 음극 Pt 로딩(loading): 0.4㎎ /㎠; 양극: 0.05㎎/㎠으로 150,000t의 Pt가 필요하여 세계의 Pt 자원으로 ~20%밖에 공급하지 못하게 된다.

○ 따라서 2020년까지 15억 자동차가 모두 연료전지로 구동되려면, Pt 로딩은 펙터 10으로 감소해야 한다. 미국 에너지부에 따르면, MEA의 Pt 촉매로딩을 <0.03㎎/㎠로 감소하는 것을 목표로 정하고 있다.

○ 그동안의 연구경향을 보면 Pt에서 Pt-Ru의 2원 촉매로 진행되면서 상당히 진전된 촉매 활성을 보이다가 3원 촉매로 나아가면서 다시 소재에 따른 활성의 성능향상을 보여주면서 Pt 양의 저감과 가격저하를 이루어오고 있다. 이글은 카본지지제를 기본으로 한 것의 2원 촉매에서 제3의 원소를 가하면서 성능향상을 기하는 연구동향을 대체적으로 소상히 밝히고 있다.

○ 이 글의 복잡한 소재들을 대강 요약하면 양극촉매는 콜로이드법으로 제조한 Pt-Ru-WO3/C와 Pt-Ru-W2O/C, Pt-Ru-(Mo, Ir, Ni, Co 등)/C가 CO 저항성과 H2/CO 연료나 메탄올 흡착과 탈수소화에서 더 중요한 성능이 인정되고 있다. 에탄올 산화에는 Pt-Sn이 Pt-Ru보다 좋은 성능을 보인다. 음극촉매는 Pt-Cr-Co/C, Pt-Co-Cr/C와 Pt-Cu-Fe/C 등이 나와 있다. 그러나 이들은 아직 확실한 것이 없으며 여러 가지의 반응조건, 촉매의 제조방법 및 그들의 성상에 따라 많은 차이를 보여주고 있다.

저자: Ermete Antolini
자료유형: 학술정보