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고체 고분자 연료전지용 비백금계 산소환원촉매 조성 조사 및 분석

Composition Survey and Analysis of Non-Pt Oxygen Reduction Catalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.15 no.1, 2012년, pp.12 - 18  

권경중 (세종대학교 에너지자원공학과)

초록
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다양한 응용분야에서 활용될 수 있는 고체고분자연료전지의 경우 현재 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 것이 고가의 백금 촉매이다. 따라서 특히 최근 들어 산소환원반응에서 백금을 대체하는 물질을 개발하기 위한 연구가 전세계적으로 확산되고 있다. 그러나 촉매 개발 시 경제성 관점 외에 내구성도 고려해야 하는데, 이런 관점에서 백금과 유사한 물성과 활성이 기대되는 백금족 원소들이 한 대안이 될 것이다. 가장 백금과 유사한 물성, 활성을 나타내는 팔라듐과 칼코겐화물 형태의 루테늄이 지금까지 가장 많이 연구가 되었으며 상대적으로 이리듐, 로듐, 오스뮴은 산소환원 촉매로 많은 연구가 되지 않았다. RDE (rotating disk electrode)를 이용한 반쪽전지 실험이나 연료전지 MEA (membrane electrode assembly) 운전을 통하여 백금과 활성을 비교해보면 팔라듐 계열의 비백금 촉매가 가장 백금에 가까운 활성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이 논문에서는 각 백금족 원소들 기반의, 현재까지 문헌상으로 보고된 촉매조성들을 분석하여 비백금 산소환원 촉매 개발에 도움이 되고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The prohibitively high cost of Pt catalyst might be the biggest barrier for the commercialization of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) of which wide application is expected. Worldwide research efforts for the development of alternative to Pt oxygen reduction reaction (ORR) catalyst are mad...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • PEMFC의 경제성을 확보하기 위해 백금을 대체하는 연구가 많이 이루어지고 있으나 양극에서 일어나는 산소환원반응의 경우 과전압이 크기 때문에 실제 MEA에서 백금과 유사한 활성을 가지면서 동일한 수준의 내구성을 나타내는 물질을 개발하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이에 백금과 유사한 물성이 기대되고 상대적으로 백금보다는 경제성 측면에서 장점이 있는 5종의 백금족 원소들의 현재까지 연구된 결과들을 촉매 조성 관점에서 고찰해보았다. 가장 백금과 유사한 물성, 활성을 나타내는 팔라듐의 경우 백금에 도입되는 동일한 용질원소들과의 합금 형태로 조성 개발이 되어 왔으며, 루테늄의 경우 셀레늄 등을 결합한 칼코겐화물 조성이 가장 주된 방향으로 연구되어왔다.
  • 0pt">Norskov 될 것이다. 이에 이 논문에서는 백금족 원소들 (루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐)이 산성 전해질에서 산소환원 촉매의 주성분으로서 연구된 결과들을 특히 촉매 조성 관점에서 고찰하도록 할 것이다.
  • 심지어는 동일한 논문에서조차 비백금 촉매와 백금 촉매의 MEA 성능 비교를 할 때 서로 다른 촉매 전극 로딩과 촉매층 두께의 차이 등으로 엄격하게 동등한 조건에서의 비교가 이루어지지 않는 경우도 있다. 일단 이러한 한계를 인식하고, 여기서는 촉매의 산소환원 활성에 주로 영향을 받는 저전류밀도에서 백금과의 MEA 성능 비교가 되어 있는 기존 문헌들을 분석하여 경향성을 살펴보도록 하겠다. Table 3에서 저전류밀도 (0.

가설 설정

  • Pd-Fe의경우는 심지어 백금보다 더 우수한 산소환원 활성을 보이고 있기도 하다.14) 팔라듐 외의 이리듐, 로듐, 오스뮴 등으로 기반한 조성은 백금과의 반파전위값의 차이가 100에서 수백 mV에 이르는 큰 차이를 보이고 있기에, 실제 연료전지 전극을 제조하여 MEA로 평가할 경우 기대할만한 성능을 예상하기는 힘들 것이다. 루테늄의 경우 Ru-Se 조성의 가능성이 상대적으로 일찍 인식되어 연구되었기 때문에33) Ru-Se의 경우 팔라듐과 비슷한 수 준의, 백금에 상당한 근접한 활성을 나타내고 있다.
  • 백금, 팔라듐의 경우와 마찬가지로 코발트가 제일 먼저 연구되었던 용질원자이다.25) 코발트 외에 이리듐에 첨가되었던 전이 금속으로는 바나듐이 있다.26) 또 다른 조성으로 황,27) 셀레늄28) 등의 16족 원소들과 이리듐을 결합한 칼코겐화물이 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고체고분자연료전지 상용화의 가장 큰 걸림돌은? 다양한 응용분야에서 활용될 수 있는 고체고분자연료전지의 경우 현재 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 것이 고가의 백금 촉매이다. 따라서 특히 최근 들어 산소환원반응에서 백금을 대체하는 물질을 개발하기 위한 연구가 전세계적으로 확산되고 있다.
RDE 방법이 갖는 문제점은 무엇인가? 촉매의 산소환원 활성을 가장 간단히 측정할 수 있는 방법은 촉매를 박막전극으로 제조한 후에 RDE (rotating disk electrode) 실험방법을 이용하여 산소가 포화된 산성 전해질에서의 산소환원 전류를 측정하는 것이다. 이 RDE 방법이 동일 실험 조건의 결과 내에서는 정량적인수치 (전류값, 산소환원 개시 전압, mass activity 등)를 이용한 비교가 가능하나, thin-film RDE, thin-active layer RDE 등의 전극 제조 방법과 촉매 전극 로딩의 차이에 따라, 또한 전해질의 종류와 기준 전극, 전위 주사속도, 실험 온도 등의 차이에 따라 다른 실험 조건 으로 얻어진 결과들의 직접적인 활성 비교가 쉽지 않다.44) 이에 이 논문에서는 동일한 RDE 실험 조건으로 백금과 비백금 촉매의 반쪽전지 산소환원 활성이 비교되어 있는 기존 문헌의 경우에 대하여 반파전위값(halfwave potential)의 차이를 분석하여 보았다.
백금족 원소들의 현재까지의 연구결과는? 이에 백금과 유사한 물성이 기대되고 상대적으로 백금보다는 경제성 측면에서 장점이 있는 5종의 백금족 원소들의 현재까지 연구된 결과들을 촉매 조성 관점에서 고찰해보았다. 가장 백금과 유사한 물성, 활성을 나타내는 팔라듐의 경우 백금에 도입되는 동일한 용질원소들과의 합금 형태로 조성 개발이 되어 왔으며, 루테늄의 경우 셀레늄 등을 결합한 칼코겐화물 조성이 가장 주된 방향으로 연구되어왔다. 이리듐, 로듐, 오스뮴은 상대적으로 팔라듐, 루테늄에 비해 산소환원 촉매로 많은 연구가 되지 않았으나 백금 대체 촉매 개발의 필요성 확대에 따라 최근 관련 연구들이 보고되고 있다. RDE 를 이용한 반쪽전지 실험으로 백금족 합금과 백금의 산소환원 활성을 측정하고 반파전위값을 비교한 결과 들을 살펴보면 팔라듐이 주조성인 경우와 Ru-Se 기반의 조성 외에는 백금과 100 mV 이상의, 상당히 큰 과전압 차이를 보임을 알 수 있다.
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