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개발동향

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개발동향 상세정보 게시판
분류 [친환경소재제품] 대체물질(소재)개발
과제명 건물용 연료전지를 위한 저가 고성능 핵심원천 소재 개발(Ⅲ)
연구기관 한국에너지기술연구원
연구기간 2019.01.01. ~ 2019.12.31.
연구비 935.00 백만원
핵심키워드 연료전지, 단전지, 건물용 SOFC 시스템, 탄화수소계 고분자 전해질막, 코어쉘 전극촉매, MEA 성능 평가
요약

연구목적 및 필요성

 O 건물용 연료전지는 도시가스와 같은 연료를 이용항 전기와 열(온수 및 난방)을 공급할 수 있는 고효율 발전기기이며 최근 수요가 급증하고 있는 냉방까지 이용할 경우 삼중열병합 시스템이 가능함

 O 전극촉매는 성능, 내구성 및 저가격화가 연구개발의 주요 이슈이며, 본 과제에서는 고전압환경에서 내구성을 지지체에 대해 코어쉘 구조의 활성금속을 적용하는 기술 확보에 초점을 맞춤

 O 고체산화물 연료전지를 위해서는 전력, 난방열, 온수의 가변수요량에 대한 동적 대응성을 확보한 고신뢰성/고밀도성 건물용 SOFC /스택 설계/제조 원천기술을 개발하는 것이 중요함

 O 본 과제는 건물용 연료전지 시스템을 위한 고분자 연료전지 및 고체 산화물 연료전지의 원천소재를 개발하고 개발된 소재를 활용하여 연료전지의 핵심인 막전극접합체 또는 셀을 개발하고 성능 및 내구성을 확보하는 것을 목적으로 함

 

연구 내용 및 범위

 O 저가 고성능 탄화수소계 고분자 전해질막의 개발

 O 코어쉘 전극촉매 제조기술의 확보

 O 저가 고성능 막전극접합체 개발

 O 대면적 MEA 성능 평가를 위한 신규 단위전지 개발

 O 고성능/고내구성 SOFC 셀 개발

 O 고출력 컴팩트 SOFC 스택 개발

연구성과

연구결과

 O 저가 고성능 탄화수소계 고분자 전해질막의 개발

  - 신규 페닐렌 기반 탄화수소계 블록형 고분자 합성법을 최적화하여 촉매 사용량 저감을 통한 생산 원가를 기존 대비 50% 절감함

  - 20수준의 박막고분자전해질막을 제조하여 중온-저가습 조건에서 상용 불소계 전해질막 대비 우수한 이온 전도도를 확보하여 막저항에 의한 연료전지 성능 감소를 최소화함

 O 코어쉘 전극촉매 제조기술 확보

  - 신규 고내구성 탄소계 지지체에 대한 특성분석 및 내구성 확보를 위한 핵심 물성을 확인하고 신규 지지체에 대한 팔라듐(Pd) 코어물질 담지기술을 확보함

  - 신규 지지체를 활용한 Pd@Pt/C 코어쉘 구조 전극촉매에 대한 양산대응 제조공정을 위한 기반기술을 확보함

 O 코어쉘 촉매 및 탄화수소계막 기반 MEA 개발

  - 탄화수소계 전해질막으로 제조된 MEA는 막의 두께에 따라서 상용 불소계 나피온 계열의 전해질막과 거의 유사한 막 저항 및 낮은 수소투과도를 보임

  - 최적화된 공정으로 코어쉘 촉매 기반 MEA를 제조할 경우, 300mA/cm2 이상의 높은 MEA 성능을 달성함

 O 스택 운전 환경에서 MEA 성능 향상성 확보

  - 대면적에 대한 형상 모델링 결과, 표준 운전 조건에서 산소의 소모는 입구 대비 출구에서 최대 42%까지 감소함

  - 정량 유량 공급 대비 42% 감소한 유량을 공급할 경우, 상용 MEA 대비 본 과제에서 개발된 MEA는 모두 80% 이상의 성능을 유지함

 O 고성능/고내구성 SOFC 셀 및 고출력 컴팩트 SOFC 스택 개발

  - 개발된 단전지의 경우 750의 작동온도에서 1W/cm2의 높은 출력 밀도를 달성하였으며, 단전지 유효 면적을 고려하면 단전지 1개당 25W 수준의 출력을 얻을 수 있음

  - 수소 15slm과 공기 35slm을 공급하면서 750조건에서 최대 363W의 출력이 나오는 고출력 컴팩트 스택을 개발함

 

활용계획

 O 신규 페닐렌 기반 탄화수소계 블록형 고분자 원천 소재를 확보하여 고분자 전해질막의 국산화에 기여함

 O 저가-고내구성의 대면적 전해질막 개발을 통하여 연료전지 성능 향상 및 가격 절감에 기여 가능함

 O 연료전지 스택의 핵심 부품인 MEA의 국산화를 위한 기반기술을 확보하고, 가정용 및 상업용 연료전지와 같은 건물용 연료전지의 사용화에 기여 가능함

 O 개발예정 고성능/컴팩트 스택의 핵심기술 활용을 통해 건물 SOFC 성능향상 및 건물용 SOFC 조기 상용화에 기여 가능함

 

주요성과

 O 보고서 1

 O SCI급 논문 2

 O 특허출원 1

첨부파일 건물용_연료전지를_위한_저가_고성능_핵심원천_소재_개발(Ⅲ).PDF
출처 국가과학기술정보센터
등록일 2021-04-09

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