초록 ▼

□ 최종목표
▫ 기술개발목표
∙ 고성능 지지체 및 백금계 나노촉매 합성
- 백금저감형 고성능-고내구성 연료전지 촉매의 개발
- 나노스케일 구조제어가 가능한 건식촉매합성 기술 개발
∙ MEA의 3차원 구조설계 및 제조공정기술 개발
- 백금사용량 저감형 다층구조 MEA 개발
- 다층구조 제어 직접 CCL 제조기술 및 후처리 기술
∙ 촉매 및 MEA의 평가 및 운전최적화 기술 개발
▫ 정량평가목표
∙ 백금사용량: 0.55 mg/cm2
∙ 최대출력: 450 mW/cm2
∙ M

□ 최종목표
▫ 기술개발목표
∙ 고성능 지지체 및 백금계 나노촉매 합성
- 백금저감형 고성능-고내구성 연료전지 촉매의 개발
- 나노스케일 구조제어가 가능한 건식촉매합성 기술 개발
∙ MEA의 3차원 구조설계 및 제조공정기술 개발
- 백금사용량 저감형 다층구조 MEA 개발
- 다층구조 제어 직접 CCL 제조기술 및 후처리 기술
∙ 촉매 및 MEA의 평가 및 운전최적화 기술 개발
▫ 정량평가목표
∙ 백금사용량: 0.55 mg/cm2
∙ 최대출력: 450 mW/cm2
∙ MEA 수명: 3,000 시간
∙ 촉매백금입도: 3 nm

□ 개발내용 및 결과
▫ 고기능성-고내구성 백금촉매소재 및 합성기술
∙ APD Pt/C 합성: island growth 성장기구 규명 및 장치 최적화
∙ 고내구성 APD Pt/C 합성: 탄소지지체 열처리를 통한 Pt 입도제어
- 탄소부식저항성 150 % 개선 (APD Pt/C 대비)
∙ 고내구성 ITO/C 지지체 합성
- 준 양산시스템을 이용한 공정 신뢰성 검증 (함량제어/조성균일성)
∙ APD Pt-ITO/C: 고기능-고내구성 백금촉매
- 준 양산시스템을 이용한 공정 신뢰성 검증
- 저 백금 담지 (10 wt.% Pt) Pt-ITO/C: J&M 20 wt.% 대등한 활성과 2배 이상의 높은 탄소부식 저항성
- 고 백금 담지 (30 wt.% Pt) Pt-ITO/C: J&M 40 wt.%와 대등한 활성과 우수한 내구성
∙ APD ITO/C 지지체 (5 wt.%, 10 wt.% ITO)를 이용한 습식 폴리올공정으로 Pt-ITO/C 합성
- Pt-ITO/C (30 Pt on ITO/C (5 wt.%): J&M 40% Pt 동등이상
∙ 폴리올 합성기술을 이용한 Pt/C 합성과 후열처리를 통한 입도제어(내구성과 활성간의 상관관계 도출)
∙ 마이크로웨이브 폴리올 합성공정의 최적화 (on/off 방식) 및 산세처리 지지체를 이용한 고내구성 Pt/C 합성
- 2000 싸이클 (촉매열화)에서 초기성능 90 % 유지
∙ PtCo/C rh 내구성 촉매 합성
- Pt:Co=3:1, 2:1, 1:1, 그리고 1:2 합금촉매 합성: 합금화에 따른 입도증가로 ECSA 감소하나 내구성 개선 (J&M 촉매에 비해 4배 향상)
▫ 고성능 멤브레인-전극소재 및 직접 CCL 공정기술
∙ Direct CCM MEA 합성기술: cone-jet 공정최적화 및 장비 최적화
- 촉매잉크 최적화 및 결함억제 공정기술 최적화
- 다양한 면적 대응 공정기술 확보: 1x1 cm2~A4 크기 양면 CCM
∙ MPL on GDL: dropping 모드 통한 MPL 적층 기술
∙ 다층구조 CCM 합성기술
- 다양한 백금 담지량 촉매와 전극 백금 로딩량 조건의 MEA 평가
- 비대칭구조 MEA: 370 mW/cm2 @ 0.7 V (양극/음극:0.05/0.4)
- 비대칭+기능층 적용 MEA: 408 mW/cm2 @ 0.7 V
- 구조제어 MEA 최적 운전조건 도출: 523 mW/cm2 @ 0.7 V
∙ CCM 후열처리기술:
- 최적 후열처리 조건 도출
- 구조제어-후열처리: 462 mW/cm2 @ 0.7 V (0.55 mg/cm2)
- 구조제어-후열처리-최적 운전조건: 581 mW/cm2 @ 0.7 V (0.55mg/cm2)
▫ 특성평가 및 운전 최적화
∙ 촉매 및 MEA 특성평가
∙ 운전 최적화 및 내구성 평가 프로토콜
- 3,000 시간 운전조건 도출 (3,140 시간)
∙ 가속운전 MEA 열화기구 규명

□ 기술개발 배경
▫ 수소사회 전환
∙ 화석연료 기반 탄소사회에서 수소사회 전환
∙ 가정용, 모바일기기, 수송용 고분자 전해질 연료전지 요구 (수소활용)
▫ 백금자원의 유한성과 고분자전해질연료전지 경제성
∙ 고분자 전해질 연료전지는 백금촉매에 기초한 전기화학반응 디바이스
∙ 백금자원 유한성으로 연료전지의 경제성과 디바이스 총량의 한계
∙ 백금 대체촉매소재의 성능의 한계 (현기준)과 산업화 주기를 고려하여 백금사용량저감형의 기술의 개발을 전략적 개발기술로 도출
▫ 3차원 구조 설계를 통한 고기능성 촉매 및 MEA 원천소재
∙ PEMFC 당 백금 사용량 저감이 양산의 핵심인자
∙ 현 기술의 한계를 구조제어 측면에서 극복하고자 기능구현 중심의 additive 소재 기술개발을 전략적으로 도출

□ 핵심개발 기술의 의의
▫ 나노스케일에서의 촉매의 3차원 구조제어 기술
∙ 고성능-고내구성 촉매의 합성을 통해 백금 사용량 저감
∙ 나노수준에서 다양한 조합의 복합나노입자를 합성하는 건식 촉매합성 플랫폼 기술의 확보하여 촉매의 물질 선택성이 크게 개선
∙ 건식합성기술과 습식합성기술을 동시적으로 개발하고 상호간에 연계되는 기술을 제시하여 기술진입장벽을 낮추고 다양한 조합이 가능
▫ 대면적-다층구조 멤브레인-전극 소재 기술
∙ 물질전달 반응의 반응경로를 고려한 다층구조의 MEA를 합성
∙ 공정중 백금손실을 억제할 수 있는 대면적화, 다층구조화가 가능한 정전분무공정기술의 확립
▫ 개발기술의 범위를 준 양산급 수준으로 개발하고 신뢰성 확보
∙ 촉매합성과 MEA 제조를 준 양산규모로 개발
∙ 공정의 신뢰성을 평가
▫ 요소기술별로 독립적인 기술개발과 요소기술간 연계성 확보
∙ 촉매와 MEA 제조 신규기술과 경쟁기술을 동시에 개발
∙ 경쟁기술간의 연계 연구를 추가하여 기술 사업화의 가능성을 재고

□ 적용 분야
▫ 직접 적용분야
∙ 가정용, 수송용 고분자 전해질 연료전지
▫ 간접 적용분야
∙ 다양한 촉매합성기술에 응용
∙ 인쇄전자산업용 나노입자합성에 응용

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 15
• 목차 ... 31
• 제 1 장 서론 ... 32
• 제 1 절 과제의 개요 ... 32
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 39
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 39
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 40
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 42
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 47
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 48
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 49
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 49
• 1. 최종연구개발 결과 ... 49
• 2. 연구개발 추진실적 ... 55
• 4. 구체적인 연구 성과 ... 120
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 133
• 1. 연구추진체계 ... 133
• 2. 연구추진내역 ... 134
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망(당초 기술개발 시작 시점의 조사와 변화된 것 위주로 기술) ... 137
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 147
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 147
• 끝페이지 ... 474