사업화 유망기술

백금 함량을 낮춘 산소 환원 촉매용 탄소/은/백금 복합체 대량 제조 기술

백금 함량을 낮춘 산소 환원 촉매용 탄소/은/백금 복합체 대량 제조 기술

PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에 사용하는 산소극에 사용하는 산소환원반응을 촉진하는 촉매

보유기관 : 한국기초과학지원연구원       거래조건 : 협의 후 결정

기술개요

PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에 사용하는 산소극에 사용하는 산소환원반응을 촉진하는 촉매

특허정보

특허명 특허번호 특허명세서
탄소 나노복합체 제조방법 10-2021-0104560

기술완성도

TRL01

기초 이론/
실험

  • 연구과제 탐색 및 기회 발굴 단계
TRL02

실용 목적의 아이디어/
특허 등 개념 정립

  • 실용 목적의 아이디어, 특허 등 개념 정립
TRL03

연구실 규모의
성능 검증

  • 연구실/실험실 규모의 환경에서 기본 성능이 검증될 수 있는 단계
  • 개발하려는 시스템/부품의 기본 설계도면을 확보하는 단계
  • 모델링/설계기술 확보
TRL04

연구실 규모의
부품/시스템 성능평가

  • 연구실 규모의 부품/시스템 성능 평가가 완료된 단계
  • 실용화를 위한 핵심요소기술 확보
TRL05

시제품 제작/
성능평가

  • 개발한 부품/시스템의 시작품(Prototype) 제작 및 성능 평가
  • 경제성(생산성)을 고려하지 않고, 우수한 시작품을 1개~수개 미만으로 개발
TRL06

Pilot 단계 시작품
성능 평가

  • 경제성(생산성)을 고려한, 파일로트 규모의 시작품 제작 및 평가
  • 시작품 성능평가
TRL07

Pilot 단계 시작품
신뢰성 평가

  • 시작품의 신뢰성 평가
  • 실제 환경(수요기업)에서 성능 검증이 이루어지는 단계
TRL08

시작품 인증/
표준화

  • 일부 시제품의 인증 및 인허가 취득 단계
    - 조선 기자재의 경우 선급기관 인증, 의약품의 경우 식약청의 품목 허가 등
TRL09

사업화

  • 본격적인 양산 및 사업화 단계

기술개요

- 본 기술은 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에 사용하는 산소극에 사용하는 산소환원반응을 촉진하는 촉매로써, 제조 비용을 낮추고 산소환원반응에 대한 촉매의 내구성을 개선하기 위해 은/백금의 합금 결정상으로 제조된 탄소/은/백금 복합체임

기존 기술의 문제점

- 최근 시장 진입기에 들어선 연료전지의 선두에 선 기술중의 하나는 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로, 가정용 연료전지와 발전용 연료전지 분야에서 두각을 나타내고 있으나, 가격과 신뢰성에 있어 문제점이 드러나기 시작함

- PEMFC의 산소극으로 사용하는 산소환원반응을 촉진하는 촉매로서 백금촉매는 가격이 고가일 뿐 아니라, 장시간 산소환원반응 과정에서 백금 촉매 입자가 뭉쳐지거나 전해질로 용해되어 산소환원반응에 대한 촉매의 activity가 지속적으로 낮아지는 문제점이 있음

특징

- 촉매의 구성물을 고가의 백금 외에 저가의 은(silver)을 과량 포함시킨 복합체 개발

- 본 기술의 탄소/은/백금 나노복합체에 대한 ICP-OES 분석 결과, 백금의 함량은 TANAKA C/Pt 40 wt% 촉매 보다 2.5배 낮음

- 본 기술의 탄소/은/백금 나노복합체는 ORR 성능 평가(half cell)에서 상용 TANAKA C/Pt 촉매 보다 활성 및 내구성 측면에서 우수한 특성을 보임

- 은 나노입자 제조 수준은 100 mL vial 용기에서 AgNO3 33 wt% 용액으로 반응 진행 (open system and air atmosphere)하면, 12g의 은 나노입자 제조, 수득률은 94%이상, 재현성99% 이상 수준임

- 현 수준의 공정 기술로는 fume hood 내부 크기 640 mm X 1500 mm 에서 silver 나노입자의 9시간 생산량은 400g으로 계산됨.

- 본 반응은 모두 상온에서 가능하며, 계면활성제를 제거하는 과정이 없어도 촉매 활성에 영향을 주지 않음

장점

- 본 기술에 의해 제조된 은/백금 합금 나노입자는 hollow 형태이며,평균 크기는 20nm 이하임

- 본 기술을 구현하기 위한 은(silver) 나노입자대량 제조 가능

- C/AgPt1 으로 부터 AgCl 제거 과정을 통해 silver 전구체 회수 가능

- 본 기술로부터 탄소/은/금(Au) 및 탄소/은/팔라듐(Pd) 나노복합체 제조 가능

시장동향

- 전 세계 연료전지 시장은 기술에 따라 양성자 교환막 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 인산 연료전지(PAFC), 기타로 분류되며, 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)가 2018년 기준으로 69.44%의 점유율을 차지하였으며, 그 뒤를 고체 산화물 연료전지(SOFC)가 12.4%, 인산 연료전지(PAFC)가 11.69%, 기타가 6.45%로 뒤따르고 있음

[글로벌 연료전지 시장의 제품별 시장 규모 및 전망]

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