초록 ▼

최종목표
* 고활성 백금계 촉매 양산 및 평가 기술개발
① 기술적 측면
- 촉매산소환원 활성 평가 : 0.44 A/mgPt@ 0.9 VIR-free
- 촉매내구성: < 30% ECA loss (after 500hr)
② 사업화 측면
- 대용량 Pt 전구체 생산 : 1kg/bath X 2회
- 연료전지용 촉매 대용량 생산 : 80g/Bath X 6회
- 연료전지용 촉매 공급 : 200g/bath X 2회 (2 Vehicle)
③ 지적 재산권 확보
- 연료전지용 촉매 제조 방법 특허

최종목표
* 고활성 백금계 촉매 양산 및 평가 기술개발
① 기술적 측면
- 촉매산소환원 활성 평가 : 0.44 A/mgPt@ 0.9 VIR-free
- 촉매내구성: < 30% ECA loss (after 500hr)
② 사업화 측면
- 대용량 Pt 전구체 생산 : 1kg/bath X 2회
- 연료전지용 촉매 대용량 생산 : 80g/Bath X 6회
- 연료전지용 촉매 공급 : 200g/bath X 2회 (2 Vehicle)
③ 지적 재산권 확보
- 연료전지용 촉매 제조 방법 특허 X 2건
- 연료전지용 촉매 양산화 특허 X 2건
개발내용 및 결과
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지용 촉매의 국산화 기술개발을 목표로 고분산 백금계, 백금합금계 촉매의 합성기술 개발 및 대량생산을 위한 생산기술 개발에 중점을 두어 연구가 진행되었다. 백금계 촉매 합성에 적용하기 위한 다양한 백금염 제조기술을 개발하고 실제 촉매 합성에 적용하여 촉매합성 연구를 진행하였으며, 합성방법 개선을 통해 고분산 촉매 제조기술을 확립하였다. 위 연구를 통하여 촉매의 분산도 증가뿐 아니라 Pt 입자사이즈 조절이 가능하게 되었으며 촉매성능 역시 상용촉매와 동등 수준의 향상된 결과를 확보하였다. 또한 전극촉매의 양산화를 목표로 촉매의 대량생산 기술 개발을 위해 전처리, 합성, 후처리 공정을 개발하여 1회 합성시 300g 정도의 촉매합성이 가능하도록 기술개발을 진행하였고 실제 대량생산기술을 이용한 촉매의 물성분석 및 성능평가를 통해 상용촉매와 동등한 성능을 보임을 확인하였으며, Stack 평가, BB test 등을 통해 대면적에서도 성능이 확보되며 내구성 또한 높음을 확인할 수 있었다. 위 촉매제조 기술을 프로세스화 하기 위하여 생산공정 프로세스, 품질프로세스 등을 정립하였다.
그밖에, 백금합금계 촉매제조 기술 개발을 통하여, 촉매에 적용가능한 두가지 타입의 백금합금염을 개발하였으며 이를 이용하여 촉매제조 및 평가를 진행하여 성능을 확보하여 백금합금계 촉매의 가능성을 확인하였다.
기술개발 배경
최근 대체에너지원으로 연료전지 중요성이 대두되고 특히 자동차 산업의 경우 ZEV(Zero Emission Vehicle) 수준의 기술이 필요함에 따라 연료전지 자동차 시장은 점차 확대될 가능성이 높다. 수송용 연료전지로 많이 연구된 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 저온 작동을 위해 촉매 사용이 필수적이며 이는 대부분 백금촉매를 사용하고 있다. 하지만 백금의 가격이 매우 높아 연료전지 가격상승에 큰 원인으로 작용하고 있어 연료전지의 상용화를 위해 고분산/고효율 촉매를 개발할 필요성이 있으며 더 나아가 전극촉매를 대량생산하는 기술을 개발하여 상용화 시 가격절감에 기여할 필요가 있다. 현재 연료전지 촉매의 연구방향은 크게 백금의 담지량을 줄이고 효과적으로 분산시키기 위한 기술개발과 백금촉매를 대체할 수 있는 백금합금계, 또는 비백금계의 촉매 개발로 이루어지고 있으며, 이를 대량생산 할 수 있는 기술개발도 진행되고 있는 실정이다. 본 과제에서도 연료전지의 상용화를 위한 고분산/고효율 촉매의 개발 및 백금합금계 촉매개발, 그리고 개발된 촉매의 대량생산 기술을 개발하여 실제 차량등에 적용할 수 있도록 안정화 시키는 데 목적을 가지고 개발을 진행하였다.
핵심개발 기술의 의의
1. 백금염 합성기술 : 백금계 촉매의 원가절감을 위하여 다양한 백금염 제조 기술을 자체적으로 개발하고 전극촉매제조에 적합한 백금염을 도입함.
2. 전극촉매 제조기술 : 기존 합성에 많이 쓰이는 폴리올 방법(Polyol Method)에서 다양한 합성조건을 개선하여 백금염과 담지체(Support)간의 상호작용을 향상시키고, 합성조건을 간편화하여 기존 촉매보다 향상된 성능의 촉매제조가 가능하도록 함.
3. 전극촉매 대량생산기술 : 전극촉매의 양산화를 목표로 위 전극촉매 제조기술을 확장하여 대량생산이 가능하도록 자체적으로 기술을 확보하였음. 최대 300g을 생산할 수 있는 생산 시스템 도입을 완료하였으며 대용량 합성시에도 소용량과 동일한 성능을 확보할 수 있도록 전처리, 후처리 등의 기술을 최적화 하였음. 현재 촉매 1회당 생산량은 국내 최대 수준임.
4. 백금합금계 촉매 합성기술 : 백금량 저감을 위한 저백금 촉매 제조 기술을 위해 Pt/Pd를 2회 이상의 제조 공정을 거치지 않고 한번에 합성이 가능한 합금염 2type을 자체적으로 개발하고 개발된 합금염을 이용한 촉매합성 기술을 개발함.
5. 전극촉매 평가방법 구축 : 제조한 촉매의 자체 평가를 위하여 촉매평가방법 표준화 시스템 구축, 연료전지 촉매성능 및 수명관련 실험방법 개발, 촉매 내구성 평가 방법등을 구축하였으며 구축된 실험기법을 토대로 평가를 진행하고 실험결과를 확보하였음.
적용 분야
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)

목차 Contents

• 제 출 문 ... 1
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 2
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 7
• 목 차 ... 12
• 제 1 장 서론 ... 14
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 14
• 1. 기술적 측면 ... 15
• 2. 산업ㆍ경제적 측면 ... 17
• 3. 정책적 측면 ... 18
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 19
• 1. 국외기술현황 ... 19
• 2. 국내기술현황 ... 20
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 22
• 1. 기술적 측면 ... 22
• 2. 산업ㆍ경제적 측면 ... 22
• 3. 정책적 측면 ... 22
• 4. 활용방안 ... 22
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 23
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 23
• 1. 최종목표 : 고활성 백금계 촉매 양산 및 평가 기술개발 ... 23
• 2. 정량적 기술목표 항목 ... 23
• 3. 핵심키워드 ... 23
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 24
• 1. 연차별 개발목표 및 개발내용 ... 24
• 가. 1단계 1차년도 ... 24
• 나. 1단계 2차년도 ... 25
• 다. 1단계 3차년도 ... 25
• 라. 2단계 1차년도 ... 25
• 마. 2단계 2차년도 ... 26
• 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 26
• 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 27
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 28
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 28
• 1. 과제 최종목표 달성 결과 ... 28
• 가. 촉매산소환원활성 ... 28
• 나. 촉매 내구성 ... 28
• 다. 촉매 생산량 ... 29
• 라. 특허출원 ... 30
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 30
• 가. 고분자 전해질 연료전지의 촉매재료 연구 경향 분석 ... 30
• 나. 연료전지용 전극촉매의 선진기술조사 (Benchmarking) ... 32
• 다. 촉매합성용 백금염 제조기술 개발 ... 36
• 라. 백금촉매 합성기술 개발 ... 39
• 마. 고분산/고효율 백금 전극촉매 합성 기술 개발 ... 57
• 바. 대용량 촉매 합성설비구축(Pilot scale set up) 및 대량 촉매생산기술 개발 ... 65
• 사. 총괄주관과의 연계를 통한 촉매 국산화 기술개발 연구 ... 76
• 아. 대량생산 촉매 생산 및 품질 Process 개발 ... 84
• 아. Pt-alloy 저백금 연료전지용 촉매 개발 ... 86
• 3. 참여기관 연구개발 실적 - 울산대학교 ... 97
• 가. 2-1 차년도 연구 내용 및 성과 ... 97
• 나. 2-2 차년도 연구 내용 및 성과 ... 115
• 4. 위탁기관 연구개발 실적 - 부산대학교 ... 157
• 가. Pt-Pd Alloy 제조를 위한 다핵 금속착물 전구체의 합성 ... 157
• 나. Pt-Ni Alloy 전구체 합성을 위한 니켈 착화합물의 합성 ... 161
• 다. Pt-Ni Alloy 전구체로서의 백금-니켈 이핵금속 착화합물 합성 ... 162
• 라. Pt 나노입자 및 Pt-alloy 나노입자의 고착 기술 개발 및 Support 적용 ... 163
• 마. Pt-Ni Alloy 제조를 위한 Ni 선도물질 개발 및 최적화 ... 165
• 바. Pt-Pd Alloy 제조를 위한 다핵 금속착물 전구체의 생산 scale 증대 ... 165
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 166
• 1. 최종과제 연구개발 추진 체계 ... 166
• 2. 각 단계별 연구개발 추진체계 ... 166
• 가. 1단계 ... 166
• 나. 2단계 1차년도 ... 167
• 다. 2단계 2차년도 ... 168
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 169
• 1. 국내․외 시장 현황 ... 169
• 가. 국내․외 시장 규모 ... 169
• 2. 연료전지 자동차 시장동향 및 전망 ... 169
• 3. 연료전지촉매의 사업화 전망 ... 170
• 가. 과제 핵심기술의 의의 및 전망 ... 170
• 나. 적용분야 ... 171
• 다. 과제 종료 후 사업화 계획 ... 171
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 171
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 173
• 끝페이지 ... 174