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PEFC의 탄소재료의 열화

전문가 제언: ○ 고체 고분자연료전지(PEFC)를 상업화하는 데는 비용과 내구성이 중요한 이슈 중의 하나이다. 또한 실제 운전시간에 요구되는 자동차의 5,000시간, 버스의 20,000시간, 정치형의 40,000시간을 현재의 기술로 만족하기 어렵다. 이러한 PEFC의 수명을 개선하기 위해서는 각 구성품의 실패모드를 깊이 이해하여 방지책을 개발하는 것이 중요하다.

○ 지금까지 많이 이루어진 열화 연구에서 내구성에 영향을 끼치는 요소들은 PEM의 박막화, 촉매층, 백금소결에서 오는 열화, 카본지지체의 부식, 가스 확산층(GDL)의 열화이다. PEFC 내구성 연구는 그 중에서 촉매층 내구성이 중요 문제로 대두되면서 관심이 증가하고 있다.

○ 촉매층은 3그룹으로 나뉜다. 지지체 포함 Pt기반 촉매, 합금형태의 Pt기반 촉매, 비귀금속과 유기금속 복합체의 비백금촉매가 그것이다. 이 중에서 Pt/C와 Pt 합금촉매가 과전압이 낮고, 높은 촉매 활성으로 수소산화반응(HOR)과 산소환원반응(ORR)에 아직도 가장 많이 쓰인다.

○ 카본열화에 대한 억제책은 안정된 흑연도가 높은 카본 담체를 사용하는 것이다. 또한 최근에는 카본나노튜브(CNT)와 카본나노파이버(CNF)가 높은 전도도와 강화된 질량 이동성으로 관심을 모으고 있다. 아주 최근에는 카본 에어로겔과 지로겔(xerogel)이 네트워크의 조정과 전해질과 촉매층의 이온 접촉이 탁월하다는 점에서 각광을 받고 있다.

○ 백금촉매의 저감이나 대체 연구가 많이 이루어지고 있는 가운데, PEFC의 내구성과 열화 기구를 조사하는 것은 중요하다. 이에 대한 실험적 방법은 실제 상황을 모사하는 AST(가속 스트레스법) 등이다. 이 글은 Pt/C에서 고배향성열분해흑연(HOPG)을 모델로 하여 보다 발전된 촉매의 성능을 구하고자 하는 노력이 기술되어 있다. 국내는 KIER와 KIST 등이 PEFC의 시스템과 MEA의 성능개선을 위한 활발한 연구를 수행 중이다. 연구는 인력, 예산과 시간의 싸움이다. 국가적 지원이 필요한 부분이다.

저자: Taro Kinumoto, Kohei Miyazakib
자료유형: 학술정보