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4, 5족 전이금속산화물을 중심으로 한 PEFC용 비백금 전극촉매의 연구개발

전문가 제언: ○ 최근 연료전지의 형태 중에 PEMFCs(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)는 앞으로의 진전에 대비하여 기초와 응용분야에서 많은 관심을 끌고 있다. 1960년대부터 현재까지 PEMFCs의 멤브레인, 양/음극촉매, 쌍극판 재료들이 시스템디자인 등과 함께 많은 R&D의 진전이 있었다. 그러나 이들 진전은 PEMFCs의 대형 상업화를 이루는 데 아직 충분치 못하다.

○ PEMFC 스택의 가장 큰 이점은 수송용으로 적합하며 거의 무배출이라는 점이다. 2020년 세계의 자동차 수는 15억 대를 넘을 것으로 예측하고 있다. 현재의 기술수준은 음극 Pt 로딩(loading): 0.4㎎/㎠; 양극: 0.05㎎/㎠이며, 자동차가 100㎾ 연료전지스택에 100gPt를 사용한다면 지구의 Pt 매장량은 고갈될 것이다.

○ 15억 대의 자동차는 150,000t의 Pt를 필요로 하는데, 세계의 Pt자원은 28,000t으로 추정되어 전체 자동차의 ~20%밖에 공급받지 못하게 된다. 따라서 2020년까지 15억 자동차가 모두 연료전지로 구동되려면, Pt로딩은 팩터10으로 감소해야 한다. 미국 에너지부(US DOE)에 따르면, MEA(Membrane Electrode Assembly)의 Pt 촉매로딩을 <0.03 ㎎/㎠로 감소시키는 것을 목표로 정하고 있다.

○ 현재 두 가지 방법이 PEMFC 촉매의 Pt로딩 저감을 위해 활발히 연구되고 있는데, 비 귀금속촉매의 탐색과 지지제를 사용한 Pt로딩의 저감이다. 비 귀금속촉매 분야는 재료와 기술면에서 아직 뚜렷한 진전이 없다. 높은 전기전도도, 화학안정성 및 저가를 추구하는 데 귀금속 촉매의 지지제로 카본재료가 폭넓게 응용되고 있다.

○ 이 글은 일본 NEDO에서 Pt를 도외시한 전이금속만을 대체전극으로 하는 시험결과를 수록한다. 이들은 산성전해질 중에서 높은 안정성을 갖는 촉매성능을 보여주었다. 이를 계기로 산화지르코늄, 산화티탄, Ta텅스텐 복합수산화물, 피복 텅스텐 캐소드 등 지금까지 활용되지 않았든 비 백금 재료가 안정성과 산소환원촉매활성을 갖는 것으로 나타났다. 고활성인 산소환원 촉매능의 지배인자의 탐색을 목적으로 한다.

저자: NEDO
자료유형: 학술정보