초록 ▼

□ 연구개발 목표
본 연구과제에서는 고진동, 무중력 및 저압 등 가혹한 외부의 환경에서도 높은 성능을 갖는 적응형 초경량 연료전지 원천기술 개발을 최종 목표로 함. 기존에 알려진 연료전지 시스템의 필요 작동 환경에서 벗어난 극한의 환경에서의 작동을 주 연구 범위로 함. 이를 위해 초경량 고내구성 분리판 개발, 고효율 유로 개발, 고성능 가스확산층 개발, 고효율 촉매 개발 및 극한상황 시뮬레이션을 각 연구자가 나누어 진행함.
구체적으로는, 1) 고출력, 경량 연료전지 스택(stack) 개발을 위해 구배가 있는 다공성 유로를

□ 연구개발 목표
본 연구과제에서는 고진동, 무중력 및 저압 등 가혹한 외부의 환경에서도 높은 성능을 갖는 적응형 초경량 연료전지 원천기술 개발을 최종 목표로 함. 기존에 알려진 연료전지 시스템의 필요 작동 환경에서 벗어난 극한의 환경에서의 작동을 주 연구 범위로 함. 이를 위해 초경량 고내구성 분리판 개발, 고효율 유로 개발, 고성능 가스확산층 개발, 고효율 촉매 개발 및 극한상황 시뮬레이션을 각 연구자가 나누어 진행함.
구체적으로는, 1) 고출력, 경량 연료전지 스택(stack) 개발을 위해 구배가 있는 다공성 유로를 적용한 연료전지 개발, 2) 초경량 고내구성 고분자 전해질막 연료전지의 분리판 개발 및 제작, 3) 저가습 조건 등의 극한 상황에서 물 관리 성능이 우수한 기체확산층(GDL, gas diffusion layer) 연구, 4) 순수 산소 공급 조건에서 높은 활성 및 안정성을 가지는 백금 합금 나노 구조 기반 산소 환원 촉매의 합성, 활성 저하 요인 분석 및 최적화 연구, 5) 각 요소기술 개발 결과를 반영한 연료전지 스택 및 시스템 모델링을 통해 극한 상황에서의 운전 가능성 여부 및 성능 예측으로 나누어 진행함.

□ 연구개발 내용
본 연구에서는 인공위성 또는 잠수함과 같은 극한 상황에서도 활용 가능한 초경량 고내구성 고분자 전해질막 연료전지를 개발하고자 한다. 이를 위해 다음과 같은 요소기술 개발 연구를 진행하고 최종적으로 각 요소 기술을 융합한 극한상황 적응형 초경량 연료전지 개발을 목표로 한다.
(1) 고출력, 경량 연료전지 스택 개발을 위해 구배가 있는 다공성 유로 개발
다공성 유로의 구배 설계를 통해 연료전지 반응 면적으로 반응기체의 고른 분배와 물관리 성능 향상으로 인한 연료전지 성능 증가와 스택 부피 감소를 통한 에너지 밀도를 향상시키는 것이 주된 내용임.
(2) 초경량 고내구성 고분자 전해질막 연료전지의 분리판 개발 및 제작
얇은 두께의 (수 mm 이하) 분리판 제작을 위해 화학적 에칭 기법(lithography 등)을 통해 유로를 설계 및 제작함. 내구성 및 전자전도성 향상을 위해 CVD (Chemical Vapor Deposition)와 PVD (Physical Vapor Deposition) 등을 이용하여 고안정성, 고전도성 물질이 코팅된 분리판을 제작함. 100시간 이상의 장기성능 테스트를 통해 분리판의 내구성을 검증함.
(3) 저가습 조건 등의 극한 상황에서 고성능 출력을 낼 수 있도록 물 관리를 해주는 기체확산층(GDL, gas diffusion layer) 연구
연료전지 내 수분의 양을 조절하고 물질 전달 저항을 최소화하기 위해, 기체확산층의 두께, 기공 크기, 작용기 여부, 전기전도도 등을 달리한 뒤, 상대습도와 전류밀도에 따른 저항을 세분화하여 측정하고 수치적으로 비교하여, 저가습 조건에서 성능이 최적화 된 기체확산층의 설계 조건을 연구함.
(4) 순수 산소 공급 조건에서 높은 활성 및 안정성을 가지는 백금 합금 나노 구조 기 산소 환원 촉매의 합성, 활성 저하 요인 분석 및 최적화 연구
백금 기반의 합금 나노 구조 촉매를 개발하고자 함. 이를 위해 혼합하는 전이금속의 종류 및 조성, 나노 구조의 크기 및 형상을 조절하여 고순도의 산소 조건에서 높은 효율과 안정성을 갖는 촉매를 선정하고, 이를 전기화학적 거동 분석과 X선 분광법 등의 다양한 특성 분석을 통해 촉매 활성 저하 원인 및 활성 향상에 영향을 주는 요인들을 연구함.
(5) 각 요소기술 개발 결과를 반영한 연료전지 스택 및 시스템 모델링을 통해 극한 상황에서의 운전 가능성 여부, 성능 예측과 저하 원인 및 활성 향상에 영향을 주는 요인 연구
앞서 개발한 각 인자를 포함한 스택 모델을 구성하고, 극한 상황 모사를 위한 BOP 등을 포함한 시스템 모델 구성을 통해 인공위성이나 잠수함과 같이 가스 유출입이 어려운 경우 등을 포함하여 시스템의 성능을 예측함.

□ 활용계획 및 기대효과
본 연구에서 개발된 기술을 실제 연료전지에 적용할 경우 연료전지의 경량화와 더불어 가혹 운전조건에서도 안정적인 전력공급을 기대할 수 있다. 본 연구를 통한 연료 전지 시스템 에너지 밀도 증가는 잠수함, 인공위성 등 공간적 제약이 크고 한계치의 운전조건을 갖는 극한 환경에서 연료전지의 활용도를 높일 수 있다. 최종적으로 극한 상황 적응형 초경량 연료전지 개발에 이바지함으로써, 수소경제로의 전환을 대비하는 국가적 차원에서 차세대 에너지원인 연료전지 발전시스템의 활용 범위를 넓히는 데 기여할 것으로 기대 된다. 또한 극한상황에서의 연료전지 스택 및 시스템 모델링을 통해, 개발된 요소 기술들을 응용하여 제품화된 스택의 성능을 예측함으로써 연료전지 상용화에 기여할 것으로 예상 된다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 국문 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• Ⅰ. 연구개발 과제의 개요 ... 5
• 1. 과제개요 ... 5
• 2. 연구목표 ... 8
• Ⅱ. 연구개발 내용 및 성과 ... 12
• 1. 연구개발과제의 수행 과정 및 내용 ... 12
• 2. 연구개발과제의 목표 달성 정도 및 수행 결과 ... 50
• 3. 연구개발성과 및 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 61
• 4. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 62
• Ⅲ. 기 타 ... 63
• Ⅳ. 참고문헌 ... 64
• 끝페이지 ... 66