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Kafe 바로가기주관연구기관 | 한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology |
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연구책임자 | 유성종 |
참여연구자 | 조한익 , 정남기 , 임형규 , 이영무 , 김필 , 이국승 , 이진우 , 김수길 |
보고서유형 | 1단계보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2020-12 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
등록번호 | TRKO202100016420 |
DB 구축일자 | 2021-11-20 |
키워드 | 고체 알칼리막 연료전지.비귀금속 촉매.전극 바인더.음이온 교환막.활성.내구성.Anion exchange membrane fuel cell.non-precious metal catalyst.electrode binder.anion-exchange membrane.activity.durability. |
• 3차원 구조 고활성 single atom기반 비귀금속계 촉매 기반 전극을 이용한 연료전지 성능 최적화
- 비백금계 촉매인 bio 소재 기반 Fe-N-C: 1271 mA/cm²@0.6V, 881 mW/cm²의 성능을 보여서 목표를 달성하였으며, 비귀금속계 기반 촉매 적용 세계 최고 성능 달성
• 1단계에서 개발된 저가 소재 (cathode: Co@C/C, anode: Ru/Ptsingle-atom/C (기존대비 1/40 사용량 저감), 바인더: PFBP)를 모두 적용하여 AEMFC용 MEA 제작
• 3차원 구조 고활성 single atom기반 비귀금속계 촉매 기반 전극을 이용한 연료전지 성능 최적화
- 비백금계 촉매인 bio 소재 기반 Fe-N-C: 1271 mA/cm²@0.6V, 881 mW/cm²의 성능을 보여서 목표를 달성하였으며, 비귀금속계 기반 촉매 적용 세계 최고 성능 달성
• 1단계에서 개발된 저가 소재 (cathode: Co@C/C, anode: Ru/Ptsingle-atom/C (기존대비 1/40 사용량 저감), 바인더: PFBP)를 모두 적용하여 AEMFC용 MEA 제작 후 연료전지 성능 평가한 결과 757 mW/cm²을 달성하였음. 1단계 목표인 700 mW/cm²를 초과 달성
• 개발 소재를 적용한 AEMFC 전극 최적화를 통한 고내구화 연구 개발 - 백금 및 비백금 촉매를 적용한 MEA 모두 1,000 시간 이상의 구동 시 50 % 이하의 성능 감소를 통해 1단계 과제 목표를 달성함. (백금계: 46.8 %, 비백금계 45.7 % 감소)
• 탄화수소계 바인더 개발 - Fluorene과 Biphenyl의 몰비를 조정하여 공중합시킨 고분자로 이루어진 PFBP 중합체를 고안해 음이온교환연료전지의 바인더에 적용하였음. 연료전지 성능도 최고 2330 mW/cm² 라는 세계최고 성능에 근접하는 연료전지성능을 나타내었음.
• 고성능/고내구 비귀금속계 양극촉매 개발 – 13.3 mA/mg, 내구성 반파전위 96 mV 감소(10,000 cycle), 단위전지 성능 658 mW/cm² (max.) 달성
• 고활성/고내구 비귀금속 합금 음극촉매 개발 - NiRu, NiMo의 HOR 활성은 각각 1.26 mA/cm²(@ 0.02 V), 1.45 mA/cm² (@ 0.1 V) 로, 백금 촉매와 비교할 시 성능을 뛰어넘거나 상응하는 수준임을 확인함.
(출처 : 보고서 요약서 3p)
Ⅳ. Development results
☐ Published a total of 78 SCI, 1 non-SCI listed sites
☐ 39 related patents applied, 6 registered
☐ 65 domestic and international academic presentations and 4 awards
☐ The main goal of this study was to secure MEA structure design and manufacturing technology that
Ⅳ. Development results
☐ Published a total of 78 SCI, 1 non-SCI listed sites
☐ 39 related patents applied, 6 registered
☐ 65 domestic and international academic presentations and 4 awards
☐ The main goal of this study was to secure MEA structure design and manufacturing technology that satisfies the high performance and durability of non-precious metal-based solid alkali membrane fuel cells in order to secure the price competitiveness of fuel cells for backup power, and achieve the world's best performance and durability. Summarized as follows.
☐ Optimized fuel cell performance by introducing a hierarchical polymer electrolyte membrane for water management - Achieved fuel cell performance of 901 mW/cm² through MEA using a line patterned membrane produced by a printing method, which is more than 20% better than the existing performance.
☐ Optimization of fuel cell performance using a three-dimensional structure high activity single atom-based non-precious metal catalyst-based electrode - Commercial JM Pt/C: 1550 mA/cm²@0.6V, 1045 mW/cm² / Co@C/C, a non-platinum catalyst:1062mA/cm²@0.6V, 762 mW/cm² / Fe-NC based on bio-material, a non-platinum catalyst: 1271 mA/cm²@0.6V, 881 mW/cm².
☐ Development of basic technology for self-humidifying PEM-AEM hybrid MEA-Under no-humidification conditions, the existing reference PEM-based MEA shows little performance, whereas the AEM-PEM half-half fuel cell initially showed a performance of 900 mW/cm².Through this, the possibility of applying a humidified fuel cell was confirmed.
☐ R&D for high durability through optimization of AEMFC electrodes using developed materials-Both MEA with platinum and non-platinum catalysts achieved the goal of the first stage by reducing the performance by 50% or less when running for more than 1,000 hours.(Platinum-based: 46.8%, non-platinum-based 45.7% decrease)
☐ Development of a carbon-based model catalyst with high activity and high durability - Carbon catalyst performance: Achieved 0.9 V or higher (onset potential).Carbon catalyst durability: Achieve performance reduction within 25% (0.6 ~ 1.0 V, after 1000 cycles).Achieved a heterogeneous element doping content of 7 at% or more.
☐ Development of a high-performance, highly durable fuel cell electrode structure through the introduction of multi-scale nanocomposite structures - Performance: Achieved 20% or more performance improvement compared to MEA performance without nanocomposite structures. Durability: Achieved 50% or less performance reduction compared to initial MEA performance.
☐ Design of non-precious metal catalysts and MEA systems for AEMFC based on computational chemistry - Establishment of oxygen reduction reaction mechanism for Metal/N/C catalyst systems, derivation of candidates for new catalyst systems, and analysis of MEA reaction environments using hybrid multiscale simulation methodology
☐ Hydrocarbon-based binder development - PFBP polymer composed of a polymer copolymerized by adjusting the molar ratio of Fluorene and Biphenyl was devised and applied to the binder of anion exchange fuel cell. The fuel cell performance also showed a fuel cell performance approaching the world's best performance of up to 2330 mW/cm².
☐ Developed high-performance/high-durability non-precious metal anode catalyst -13.3mA/mg, reduced durability half-wave potential 96mV (10,000 cycle), achieved unit cell performance of 658mW/cm² (max.)
☐ Development of high-activity/high-durability non-precious metal alloy cathode catalyst - The HOR activity of NiRu and NiMo is 1.26 mA/cm² (@ 0.02 V) and 1.45mA/cm² (@ 0.1 V), respectively, which is superior to platinum catalysts or the equivalent level.
(출처 : SUMMARY 9p)
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