연료전지의 열화를 억제하는 새로운 촉매 개발

연료전지의 열화를 억제하는 새로운 촉매 개발

燃料電池の劣化を大幅に抑制可能に、世界初の新触媒の開発に成功

야마나시 대학, 타나카 귀금속 공업이 연료 전지의 열화 억제로 이어질 새로운 수소 극촉매의 개발에 성공했다. 

이 촉매를 이용하여 기존의 연료 전지용 시판 백금 수소 극촉매를 사용한 경우에 비해,

전해질 막의 내구성을 4배 이상 높일 수 있다고 한다.

2020년 01월 15일 06시 30분 공개

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NEDO와 야마나시 대학 타나카 귀금속 공업은 2020년 1월, 

고체 고분자형 연료 전지의 수소 극에서 전해질 막의 열화의 원인이 되는 과산화수소 (H2O2)의 발생을 

절반 이하로 억제 할 수 있는 백금 - 코발트 합금 수소 극 촉매의 개발에 세계 최초로 성공했다고 발표했다. 

이 촉매를 연료 전지에 통합함으로써 기존의 연료 전지용 시판 백금 수소 극촉매를 이용한 경우와 비교하여 

전해질 막의 내구성을 4배 이상 높일 수 있다고한다.

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연료 전지는 전해질 막의 양쪽의 전극에 수소와 공기를 공급하여 발전한다. 

수소 극에서는 수소가 산화되어 수소 이온과 전자가 생성된다. 

다른 곳의 전극에 공기를 공급하나, 산소의 일부가 전해질 막을 투과하여 수소 극의 촉매에 흡착된 

수소 원자와 반응하여 과산화수소가 일부 이루어진다.

 

과산화수소가 철 이온 등의 불순물과 접촉하면 발생하는 OH 라디칼이 전해질 막을 공격해 분해해 버린다. 

이것이 연료 전지의 열화 원인인 것이다.

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(A) 연료 전지 작동시의 각 전극에서의 반응 / 

(B) 수소 극부분의 확대 : 과산화수소 발생과 OH 라디칼에 의한 전해질 막의 분해 열화 출처 : NEDO

이 과제에 대해 야마나시 대학은 OH 라디칼 발생원인 과산화수소의 발생 속도 자체를 억제하는 것이

 

가장 효과적인 대책으로서 이에 관해 연구 개발에 임했다.

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고체 고분자 형 연료 전지의 전해질 막은 강산성에서 이러한 환경에서 수소 산화 반응 활성이 높은 백금이다. 

하지만 지금까지 연료 전지는 상용 시판 백금 / 고표면적 카본 블랙 담체 촉매 (상용 Pt / CB 촉매)가 

이용되고 있었다.

그래서 야마나시 대학은 백금 - 코발트 합금 나노 입자의 표면 구조를 제어하고 내산성을 높여 

백금 스킨 / 백금 - 코발트 합금 촉매를 시작. 

상용 Pt / CB 촉매에 비해 과산화수소의 발생 속도 억제 효과가 매우 크다는 것을 발견했다. 

덧붙여 이 시작 촉매의 백금 사용량 당 수소 산화 활성에 대해서도 상용 Pt / CB 촉매보다 높다고 한다.

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다음 타나카 귀금속이 양 합성한 새로운 촉매를, 두께 25μm (마이크로 미터)의 전해질 막에 

수소 극으로 도포하고,

공기극 측에 시판 백금 나노 입자를 흑연화 카본 블랙에 담지하여 열처리 한 촉매를 도포하고, 

표준 크기의 연료 전지 단셀 (전극 면적 29.2 평방 센티미터)에 내장 가속 열화 시험을 실시했다.

그 결과, 비교 대상으로 상용 Pt / CB 촉매를 수소 극에 이용한 경우에는 과산화수소의 발생 등으로 인한 

전해질 막의 열화에 의해 160시간에서 연료 전지의 전압이 0.8V (볼트) 정도로 급격히 감소하고, 

전해질 막의 수소 투과 속도가 활성화시의 100배 이상 증가했다. 

또한 해체 후의 검사에서 전해질 막이 얇아지고 작은 천공의 발생이 확인되었다.

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한편, 이번에 개발한 촉매를 수소 극에 이용한 경우에는 과산화수소의 발생 등으로 인한 

전해질 막의 열화 등이 억제되고, 600시간 후에도 0.9V 정도로 높은 전압을 장시간 유지하는 동시에, 

수소 투과 속도는 초기의 1.5 배의 증가를 억제했다. 

약 720 시간 후에는 전압이 0.85V 이하로 감소했지만, 

그 전압에 도달할 때까지의 운전 시간은 상용 Pt / CB 촉매를 이용한 경우의 4배 이상 늘어났다.

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또한 1000시간 후에 수소 투과 속도가 초기의 약 10배까지 증가했지만, 

상용 Pt / CB 촉매를 사용한 경우에 비해 열화가 매우 완만한 결과가 나타났다.

앞으로 야마나시 대학과 타나카 귀금속 공업은 자동차 회사 등과 제휴하여 개발한 새로운 촉매를 이용한 

연료 전지를 시험하고 새로운 고성능 · 고내구화를 위한 연구 개발을 추진할 방침이다.

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