DOE 2014 수소 및 연료전지 경과보고서

미국 에너지부 산하 FCTO(Fuel Cell Technologies Office)는 2014년 수소 및 연료전지 프로그램에 대한 경과보고서를 발간하였으며, 분량의 거의 1,000 페이지에 달한다. 본 보고서는 매년 제공되고 있으며, 미국 에너지부의 수소 및 연료전지 프로그램(Hydrogen and Fuel Cells Program)에서 프로젝트 자금을 지원하고 있으며 최근 프로그램의 성과에 대한 부가적인 정보를 제공해 주고 있다.

본 프로그램에는 수소 및 연료전지 기술에 대한 핵심적인 진보에 대한 연구, 개발 및 시연에 관한 자료뿐만 아니라, 상업화를 위해 장애물들을 극복하기 위한 활동들을 포함하고 있다. 이 프로그램인 기초 및 응용연구, 기술 개발 및 시연 그리고 다른 지원활동들을 통합시키고 있다. 지난 해 FCTO의 디렉터인 Sunita Satyapal 박사는, 이 프로그램이 목적과 목표를 향상시키고 실질적인 진보를 이루었다고 평가하였다.

본 보고서에서는 에너지부에서 지원하는 다양한 활동들을 광범위하게 포괄하고 있으며 다음과 같다: 수소 생산, 전달 및 저장; 연료전지(실험을 통한 촉매 및 멤브레인 개발); 제조와 관련된 연구개발; 기술평가; 안전, 코드 및 표준; 시장 전환(market transformation); 시스템 분석; 및 중소기업혁신개발사업(small business innovation research).

<연료전지>
연료전지 하부프로그램 활동에 대한 개요에서, 에너지부 연료전지 프로그램 매니저인 Dimitrios Papageorgopoulos 박사는, 매우 높은 활성을 갖는 새로운 백금-니켈(platinum-nickel) 촉매의 개발을 강조하고 있다.

로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 과학자들은, 2주간 대기 중에 노출시킨 용매에 놔둔 백금-니켈 결정성 다면체 입자를 처음 합성하였다. 구조 및 조성에서 큰 변화가 관찰되었다. 입자들이 백금이 더 많은 합금 상태로 변화함과 동시에 중공 나노프레임(hollow nanoframe) 구조로 변형된다는 것이었다. 촉매작용에 대한 이 새로운 구조의 잠재적 관련성을 인지한 로렌스버클리 국립연구소 과학자들은 아르곤 국립연구소 전기화학자들과 연구팀을 구성하였다. 아르곤 국립연구소는 합성과정을 최적화하여, 실험을 통해 이전의 어떤 연료전지를 능가하는 활성을 보이는 촉매를 단지 수 시간 내에 제조할 수 있도록 하였다.

나노프레임 촉매 내에 양성자성 이온액체(protic ionic liquids, PILs)를 주입하여 활성을 더욱 증가시켰으며, 기존의 백금 촉매보다 30배 이상의 활성(mass activity)을 보여주었다. 이 활성시험은 회전 원판 전극(rotating disk electrode, RDE) 실험을 통해 수행되었다.

이 나노프레임은 가속 스트레스 시험(accelerated stress testing)을 10,000 사이클 이상 시행한 후에도 활성의 감소가 나타나지 않음으로써 높은 내구성을 증명하였다. 아르곤 국립연구소는 이제 연료전지에서의 촉매합성 실험을 위해 규모를 키우고 있으며, 이것은 실용화를 위한 타당성을 평가하는데 핵심적인 단계이기도 하다.

또한 2014년 General Motors사가 이끈 연구팀은 백금/코발트 및 백금/니켈 탈합금(dealloyed) 촉매에 고전류 성능의 양호한 내구성을 보고한 바 있으며, 이는 활성 및 내구성에 대한 에너지부의 목표치를 이미 달성한 값이었다. 이 촉매들은 0.4 mgPt/cm2 전극으로서 H2/air 연료전지의 성능과 동일하였지만, 백금그룹의 귀금속 함량은 단지 1/4에 불과하였다.

개선된 성능은 모든 종류의 자동차에서 확인되었다. 0.6 및 0.925 V 사이에서 60,000 사이클까지, 1.5 A/cm2에서 단지 20mV의 손실만이 나타났다.

Papageorgopoulos는 이전의 프로젝트에서 개발된 성분을 이용하여, 운전조건에서 멤브레인의 내구성과 성능을 개선하기 위해 2014년 새로 시작된 프로젝트에 대한 내용도 강조하고 있다.

특히 이전에 개발된 perfluoroimide acid ionomers는 많은 성능과 내구성 목표를 만족시켰지만, 모든 에너지부의 멤브레인 목표치를 동시에 만족시키기 위해서는 멤브레인의 두께 감소와 ionomer의 개선이 필요한 상황이다. Ionomer의 화학적 구조를 변형하고 밴더빌트대학(Vanderbilt University)에서 개발한 불활성 나노섬유 지지체를 이용하면, 화학적 및 기계적 내구성 목표를 달성하는 새로운 멤브레인의 제작이 가능하다.

마지막으로, 백금/니켈 나노구조 박막 촉매를 포함하는 MEAs(membrane electrode assemblies)의 개선도 언급되고 있다. 이것은 고전류 밀도에서 성능 향상을 가능하게 하기 때문에, 백금그룹의 금속함량을 150 kPaabs 에서 0.16 g/kW까지 낮출 수 있었다. 이 측정은 90 °C의 높은 온도와 0.69 V의 압력조건에서 얻어졌으며, 이것은 엔지부의 열저항(heat rejection) 목표인 Q/ΔT ≤1.45를 만족하는 조건이다.

이전에 발표된 0.69V에서 측정된 백금그룹 금속의 함량과 비교해 볼 때, 금년에 결과는 2012년 및 2013년에 비해 각각 25% 및 6% 개선된 것이다. 에너지부의 목표인 0.125 g/kW 수준과 내구성 목표를 모두 달성하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - DOE 2014 수소 및 연료전지 경과보고서