초록 ▼

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
1) 저가 고성능 탄화수소계 고분자 전해질막의 개발
(1) 전략 : 페닐렌계 블록형 고분자 합성 및 스케일업 공정 설계를 통한 lab-scale 양산
(2) 수행 내용
■ 페닐렌계 블록형 고분자
- 페닐렌계 블록형 고분자 합성을 통한 고성능 고분자 전해질 개발
- 촉매 사용량 저감을 통한 가격 절감
■ Lab-scale 양산
- 합성법 최적화 및 재현성 확보
- 대용량 합성 및 대면적 전해질막 제조
(3) 결과
■ 중온-저가습 조건에

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
1) 저가 고성능 탄화수소계 고분자 전해질막의 개발
(1) 전략 : 페닐렌계 블록형 고분자 합성 및 스케일업 공정 설계를 통한 lab-scale 양산
(2) 수행 내용
■ 페닐렌계 블록형 고분자
- 페닐렌계 블록형 고분자 합성을 통한 고성능 고분자 전해질 개발
- 촉매 사용량 저감을 통한 가격 절감
■ Lab-scale 양산
- 합성법 최적화 및 재현성 확보
- 대용량 합성 및 대면적 전해질막 제조
(3) 결과
■ 중온-저가습 조건에서의 우수한 이온 전도도 확보
■ Lab-scale 합성 조건 및 재현성 확보
■ 균일한 대면적 전해질막 제조

활용방안은 다음과 같다.
- 신규 페닐렌 기반 탄화수소계 블록형 고분자 원천 소재를 확보하여 고분자 전해질막의 국산화에 기여한다.
- 저가-고내구성의 대면적 전해질막 개발을 통하여 연료전지 성능 향상 및 가격 절감에 기여한다.

2) 코어쉘 전극촉매 제조기술 확보
(1) 결과
고전압 환경에서 내구성 확보를 위해 탄소계 지지체 물질들에 대한 물성과 촉매로써 내구성 사이에 핵심 연관관계를 파악하는 연구가 진행되었다. 탄소 소재의 결정성 및 타는점이 높고, 표면적이 낮을수록 보다 우수한 고전압 환경 내구성을 가짐이 확인되었다. 결정성(흑연성)이 높은 탄소계 지지체에 대한 Pd 코어물질 담지공정 최적화를 통해목표인 1 g/batch 이상의 Pd/C 코어물질을 성공적으로 제조하였다. 이어서 알콜산화반응 기반 접근을 통해 마찬가지로 1 g/batch 이상의 Pd@Pt/C 코어쉘 전극촉매를 성공적으로 제조하여 향후 양산대응 제조기술 확보를 위한 기반을 확인하였다. 이를 통해 최종 연도 목표달성에 대한 가능성을 확인할 수 있었다.

활용방안은 다음과 같다.
- 제조된 Pd@Pt/C 코어쉘 전극촉매는 본 과제에서 제조된 탄화수소계 전해질 막을 활용한 막전극접합체 (MEA : Membrane Electrode Assembly) 제작에 직접 활용되고,
- 자동차용, 정치형 및 휴대용 등 다양한 응용분야에 고성능 전극촉매로 적용이 가능하여, 연료전지기술의 본격적 상용화에 기여할 수 있다.

3) 코어쉘 촉매 및 탄화수소계 전해질막 기반 MEA 개발
(1) 결과
개발된 코어쉘 촉매 및 신규 탄화수소계 전해질막을 이용한 대면적 MEA 제조 기술 및 성능확보 기술 개발을 수행하였다. 코어쉘 촉매를 활용한 잉크조성 최적화 및 잉크제조, 촉매층 형성 및 MEA 성능 평가를 포함한 일련의 과정을 통하여 코어쉘 Pd@Pt/C 촉매 기반 촉매층 최적화 및 설계 방안을 확보하였다. 이 과정을 통하여 유효면적 75 cm²의 코어쉘 촉매 MEA 제조 및 평가 결과, 운전온도 80도 50%의 저가습조건에서 0.75 V 기준으로 310 mA/cm²로 상용 대비 우수한 촉매 성능을 도출하였다.
또한, 개발된 탄화수소계 전해질막의 MEA화를 위하여 필요한 불소계 이오노머 기반촉매층과 탄화수소계 기반 전해질막 계면 구조 최적화를 위한 연구를 수행하였다. 이 과정을 통하여 유효면적 75 cm²의 탄화수소계막 기반 MEA 제조 및 평가 결과, 운전온도 80도 50% 조건에서 0.75 V 기준으로 340 mA/cm²로 상용 대비 우수한 MEA 성능 및 낮은 수소투과도를 확보할 수 있었다.

활용방안은 다음과 같다.
- 연료전지 스택의 핵심 부품인 MEA의 국산화를 위한 기반기술을 확보하였다.
- 가정용 및 상업용 연료전지와 같은 건물용 연료전지의 상용화에 기여하고 시스템의 크기를 줄이고 구조를 단순하게 만드는데 크게 기여할 수 있다.

4) 스택 운전 환경에서 MEA 성능 향상성 확보
(1) 결과
활성 면적 75 cm² 단위전지를 제작하고 기본적인 성능 평가를 수행하여 단위전지의 성능을 검증 완료 하였다. 이를 기반으로 본 연구 과제에서 개발되는 MEA에 대한 성능 평가를 수행하였다. 또한 스택에 적용되는 대면적 분리판에서 일어나는 입출구에서의 운전 환경의 차이점에 대한 분석을 수행하고 이를 반영한 단위전지에서의 운전 조건에 반영하여 상용 MEA에 대비한 성능 편차를 비교 분석하였다.

5) 고성능/고내구성 SOFC 셀 개발
(1) 결과
초음파 노즐을 이용하여 액적의 크기를 미세화 하고, 정량 펌프를 이용하여 원하는 양의 용액을 침투시킬 수 있는 초음파 스프레이 장비를 이용하여 공기극의 성능을 향상시키는 연구를 수행하였다. Urea를 첨가재로 사용하여 기존 열처리 공정 (약 800 ℃,1일) 시간을 대폭 단축시킬 수 있었다. 예를 들어 5회 반복 infiltration 공정이 필요한 경우, (기존) 5일에서 (개발) 1일로 공정시간을 대폭 단축시킬 수 있었다. 개발된 단전지의 경우 750 ℃의 작동온도에서 1 W/cm²의 높은 출력 밀도를 달성하였으며, 단전지 유효 면적을 고려하면 단전지 1개당 25 W 수준의 높은 출력을 얻을 수 있었다.

(2) 활용방안
- 개발예정 고성능/컴팩트 스택의 핵심기술 활용가능
- 건물용 SOFC시스템 성능향상 및 컴팩트화 요소기술로 활용가능

6) 고출력 컴팩트 SOFC 스택 개발
(1) 결과
개발된 SOFC 단위전지를 이용하여 300 W급 SOFC 스택을 제작하였다. 다수의 단위전지들로 구성된 스택 번들이 완성되면, 스택 번들의 양끝 단에 연료가스가 공급 및 배출될 수 있도록 매니폴드를 부착하여 고정하였다. 평가 결과 수소 15 slm(standard liter per minute)과 공기 35 slm을 공급하면서 750 ℃ 조건에서 최대 363 W의 출력이 나오는 것을 확인하였다.

(2) 활용방안
- 개발예정 건물용 SOFC 스택의 내구성 확보에 핵심요소 기술로 활용 가능함.
- 건물용 SOFC　시스템 수명 및 가격저감의 핵심 기술로, 건물용 SOFC 조기 상용화에 기여함.

(출처 : 요약문 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 9
• 제 1 장 서 론 ... 10
• 1. 저가 고성능 탄화수소계 고분자 전해질막의 개발 ... 10
• 2. 코어쉘 전극촉매 제조기술 확보 ... 12
• 3. 코어쉘촉매 및 탄화수소계막 기반 MEA 개발 ... 13
• 4. 스택 운전 환경에서 MEA 성능 향상성 확보 ... 14
• 5. 고성능 SOFC 단전지 기술 개발 ... 14
• 6. 고내구성 SOFC 단전지 기술 개발 ... 15
• 제 2 장 본 론 ... 17
• 1. 저가 고성능 탄화수소계 고분자 전해질막의 개발 ... 17
• 2. 코어쉘 전극촉매 제조기술 확보 ... 19
• 3. 코어쉘 촉매 및 탄화수소계막 기반 MEA 개발 ... 21
• 4. 스택 운전 환경에서 MEA 성능 향상성 확보 ... 25
• 5. 고성능/고내구성 SOFC 셀 개발 ... 28
• 6. 고출력 컴팩트 SOFC 스택 개발 ... 31
• 끝페이지 ... 34