초록 ▼

□ 연구개요
본 연구는 무 가습 하에서 작동이 가능한 고 효율 PEMFC에 관한 연구이다. PEMFC의 막으로 사용되는 Nafion은 충분한 수분이 있어야 수소 이온의 전도를 할 수 있는 특성을 가지고 있어 연료전지 시스템에 외부 가습장치를 가지고 있다. 이는 연료전지 시스템의 무게와 부피를 증가시키며 가격을 올리는 원인이다. 따라서 본 연구에서는 막 전극 접합체 내에서 자체적으로 물 관리를 통하여 외부가습 장치 없이도 높은 성능의 PEMFC를 구동하는데 목표를 가지고 있다. 이를 위해 비표면적이 큰 중공 구조(hollow s

□ 연구개요
본 연구는 무 가습 하에서 작동이 가능한 고 효율 PEMFC에 관한 연구이다. PEMFC의 막으로 사용되는 Nafion은 충분한 수분이 있어야 수소 이온의 전도를 할 수 있는 특성을 가지고 있어 연료전지 시스템에 외부 가습장치를 가지고 있다. 이는 연료전지 시스템의 무게와 부피를 증가시키며 가격을 올리는 원인이다. 따라서 본 연구에서는 막 전극 접합체 내에서 자체적으로 물 관리를 통하여 외부가습 장치 없이도 높은 성능의 PEMFC를 구동하는데 목표를 가지고 있다. 이를 위해 비표면적이 큰 중공 구조(hollow shell)의 금속 산화물을 이용하여 막 전극 접합체에 이중 촉매층(Dual catalyst layer)을 적용하여 무 가습에서 연료전지의 성능을 크게 증가시켰고 막 전극 접합체 내부의 무 가습 작동 메커니즘에 대하여 연구를 진행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
■ 무 가습 작동용 Dual catlayst layer에 필요한 친수성의 중공 구조의 금속산화물을 300nm 일정한 크기의 실리카 템플레이트를 사용하여 합성하여 중공구조의 ZrO₂와 TiO₂를 성공적으로 합성하였다. 합성한 시료에 대한 XRD, FE-SEM, HR-TEM, 및 BET 특성평가를 진행하였다. 중공 구조의 금속 산화물에 백금을 담지하여 이중 촉매층의 막 전극 접합체를 제작하여 성능을 측정하였을 때 무가습 상태에서 800 mW/cm²의 높은 성능을 가져 목표를 달성하였다.
■ 다양한 탄소계열(Pt-CNT, Pt-rGO, Pt-rGO+CNT, 및 Pt-Porous carbon sheet)의 촉매 지지체의 합성을 하였고 탄소계열의 지지체의 특성을 평가하였다. rGO와 CNT의 3D구조의 형성을 통해 rGO의 재결합에 대한 문제를 해결하였고 합성된 시료는 싱글 셀테스트를 통해 성능 평가를 진행하였다. 또한 새롭게 합성한 Pt-Porous carbon sheet(Pt-PCS)는 탄소 시트내부에 기공을 많이 가지고 있어 높은 비표면적을 가지고 있다. 이를 Cathode의 전극에 적용하여 백금의 담지량을 67%까지 줄였음에도 불구하고 높은 성능을 유지 할 수 있었다.
■ PBI와 PTFE를 이용한 Nafion 강화막에 대한 연구를 진행하였고 FT-IR, SEM, 및 EDS 특성 평가를 통해 LiCl을 이용하여 생성한 기공구조와 Nafion의 함침에 대하여 연구를 진행하였고 강화막을 성공적으로 합성하였다.

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구를 통하여 연료전지 시스템의 많은 부피를 차지하고 있는 외부 가습장치를 제거 할 수 있는 방법을 제시하였다. 이중 촉매 층을 막 전극 접합체 내부에 적용하여 PEMFC에서 중요한 요소인 물 관리 문제를 해결하고 작동메커니즘에 대한 연구는 추후 연료전지의 소형화를 하는데 아주 중요하다고 여겨진다. 소형화된 연료전지는 드론, 전기자전거 등 여러 분야에 전기를 공급할 수 있는 역할을 할 수 있다. 본 연구의 결과를 통해 연료전지 시스템 내부의 외부가습장치 부피를 줄여 에너지 밀도를 올리는데 기여를 할 수 있다. 또한 다양한 탄소계열의 촉매 지지체에 대한 연구를 진행하면서 촉매 지지체의 변화를 통해 백금 촉매의 반응면적을 증가시켜 백금의 담지량을 줄이는 연구결과는 연료전지의 생산 비용을 줄이는데 큰 역할을 할 수 있을 것이라고 사료된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 무가습 작동용 이중 촉매층 (Self-humidifying Dual Catalyst Layer)에 관한 연구 ... 5
• 2) 내구성이 우수한 장 수명 고분자 전해질 나피온 강화막 (Long lifetime polymer electrolyte reinforced Nafion membrane) ... 6
• 3) 탄소 계열 촉매 지지체의 내구성 및 연료전지 백금 담지량 감소에 관한 연구 ... 7
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 8
• 1) 무가습 작동용 이중 촉매층 (Self-humidifying Dual Catalyst Layer)에 관한 연구 ... 8
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 18
• 4. 참고문헌 ... 19
• 5. 연구성과 ... 22
• 대표적 연구실적 ... 30
• 끝페이지 ... 44