요약
연료전지 활성화 주기를 9550사이클에서 63사이클로 획기적으로 줄인 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 촉매를 감싸는 탄소 껍질의 두께를 정밀하게 조절하여 성능과 내구성을 동시에 향상시킵니다. 기존에는 두꺼운 탄소 껍질로 인해 물질 전달이 방해되어 고전류 밀도에서 성능 저하가 발생하고, 활성화 시간이 길어지는 문제가 있었습니다. 그러나 새로운 방식으로 탄소 껍질 두께를 감소시킴으로써 촉매의 활성화 시간을 150배 이상 단축하고, 내구성은 유지하면서도 연료전지의 효율을 높일 수 있게 되었습니다. 이를 통해 생산 효율을 높이고 비용을 절감하여 연료전지의 상용화를 한 걸음 앞당길 수 있습니다.
기본 정보
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특허명: 표면산화를 통한 탄소 껍질 두께를 제어한 금속 촉매의 합성방법
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발명자: 권오중 교수
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출원번호: 10-2021-0133816
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등록번호: 10-2721614
상세 정보
배경 기술
배경 설명
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수소 에너지는 화석연료의 한계를 극복하기 위한 대체 에너지로 주목받고 있음. 연료전지는 수소를 이용하여 전기를 생성하는 대표적인 기술로, 친환경 에너지 솔루션으로 각광받고 있음
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그러나 연료전지의 상용화를 가로막는 주요 요인 중 하나는 백금 촉매의 높은 가격과 낮은 내구성임. 백금은 희귀 금속으로 비용이 높으며, 연료전지 작동 과정에서 촉매 활성이 저하되는 문제가 있음
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이러한 문제를 해결하기 위해 백금 촉매를 탄소 껍질로 감싸는 기술이 개발되고 있음. 탄소 껍질은 촉매를 보호하여 내구성을 향상시키는 역할을 함
기존 기술의 문제점
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기존의 탄소 껍질을 갖는 촉매는 탄소 껍질 두께를 조절할 수 없어 최적의 성능을 발휘하지 못함. 두꺼운 탄소 껍질은 내구성은 향상시키지만 물질 전달을 방해하여 고전류 밀도에서 성능 저하를 초래함
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또한 두꺼운 탄소 껍질로 인해 활성화 시간이 길어지고 전체 공정 시간이 늘어나는 문제가 있음. 이는 생산 효율을 떨어뜨리고 비용을 증가시킴
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탄소 껍질 두께 조절 기술의 부재로 촉매의 성능과 내구성 사이의 균형을 맞추기 어려움. 이에 따라 연료전지의 상용화에 필요한 성능을 확보하는 데 한계가 있음
기술의 필요성
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탄소 껍질 두께를 제어하여 촉매의 내구성을 유지하면서도 물질 전달 특성을 개선할 수 있음. 이를 통해 연료전지의 성능을 향상시키고 활성화 시간을 단축할 수 있음
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실험 결과, 탄소 껍질 두께 조절을 통해 활성화 주기가 9550 사이클에서 63 사이클로 감소함. 이는 촉매 활성화 시간이 크게 단축되어 공정 효율이 향상됨을 의미함
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내구성 평가에서도 얇아진 탄소 껍질을 가진 촉매가 기존과 유사한 수준의 내구성을 보임. 이는 탄소 껍질 두께 조절이 성능과 내구성을 동시에 향상시킬 수 있음을 보여줌
구현 방법
기술의 원리
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탄소 껍질을 갖는 금속 촉매는 금속 나노입자를 탄소 층으로 감싸 내구성을 향상시킴. 탄소 껍질은 금속 입자를 외부 환경으로부터 보호하여 촉매의 수명을 연장함
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탄소 껍질의 두께는 촉매의 성능에 직접적인 영향을 미침. 두꺼운 탄소 껍질은 내구성을 높이지만 물질 전달을 방해하여 활성화 시간이 길어짐. 반면 얇은 탄소 껍질은 활성화 시간을 단축하고 성능을 개선함
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열처리 과정에서 산소 공급량과 온도를 조절하여 탄소 껍질의 두께를 제어할 수 있음. 이를 통해 최적의 성능과 내구성을 갖는 촉매를 합성할 수 있음
구체적인 구현 방법
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지지체와 전이금속을 혼합하여 지지체에 금속을 담지시킴. 전이금속은 Pt, Pd, Ag, Au, Ru, Ir, Ni, Co, Fe, Mo 중에서 선택함. 지지체로는 카본블랙, 그래핀, 탄소나노튜브 등이 사용됨
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담지된 전이금속 복합체를 열처리하여 표면에 탄소 껍질을 형성함. 900℃까지 온도를 상승시키고 5시간 동안 질소 가스를 공급하여 탄화 과정을 진행함. 이를 통해 금속 입자를 탄소 껍질로 감쌈
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열처리 후 냉각 과정에서 50℃ 내지 700℃의 온도에서 산소를 공급하여 탄소 껍질의 두께를 조절함. 산소와 비활성 가스의 비율은 부피 기준 1:1에서 1:10,000까지 조절하여 원하는 두께를 얻음
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또한, 합성된 촉매를 별도로 50℃에서 700℃ 사이의 온도에서 산소를 공급하면서 후속 열처리를 수행함. 이 과정을 통해 탄소 껍질의 두께를 감소시켜 활성화 시간을 단축함
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산소 공급량은 1 ccm에서 20,000 ccm 범위 내에서 조절함. 후속 열처리 시간은 10분에서 5시간까지 설정하여 탄소 껍질 두께를 세밀하게 제어함
기술의 장점
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탄소 껍질 두께를 조절하여 촉매의 활성화 시간을 크게 감소시킬 수 있음. 이는 제조 공정 시간을 단축하고 생산 효율을 향상시킴
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얇은 탄소 껍질은 물질 전달 특성을 개선하여 연료전지의 성능을 향상시킴. 특히 고전류 밀도 영역에서 효율이 높아짐
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내구성을 유지하면서도 촉매의 성능을 향상시켜 연료전지의 상용화를 앞당길 수 있음. 이는 친환경 에너지 산업 발전에 기여함
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탄소 껍질 두께 조절 방법은 다양한 금속 촉매에 적용 가능함. 이를 통해 촉매 개발의 유연성을 높이고 응용 범위를 확대할 수 있음
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제어된 탄소 껍질은 촉매의 물리적, 화학적 안정성을 향상시켜 장기간 사용 시에도 성능이 유지됨
실험 및 결과
실험의 목적
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탄소 껍질 두께를 제어한 금속 촉매를 합성하여 연료 전지의 내구성을 유지하면서 활성화 시간을 감소시키고자 함.
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탄소 껍질 두께 조절을 통해 연료 전지 구동 시 발생하는 물질 전달 저하를 억제하고, 효율적인 전기화학 반응을 유도하고자 함.
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열처리 과정 중 가스 조성과 온도 조건을 조절하여 탄소 껍질 두께를 효과적으로 감소시키는 방법을 제시하고, 이를 통해 촉매의 산업적 적용 가능성을 높이고자 함.
실험 방법 및 과정
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열처리 냉각 과정 중 특정 온도에서 산소와 비활성 가스의 혼합 가스를 공급하여 탄소 껍질 두께를 조절함. 이를 통해 원하는 두께의 탄소 껍질을 형성함.
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900°C까지 5시간 동안 질소 가스를 통과시키며 열처리를 진행하고, 350°C에서 산소와 질소 혼합 가스로 자연 냉각함. 이 과정에서 탄소 껍질의 두께를 감소시킴.
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후속 열처리에서는 합성된 촉매를 300°C까지 온도를 상승시키고, 산소와 질소 혼합 가스를 공급하며 자연 냉각하여 탄소 껍질 두께를 더욱 줄임.
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전기화학적 특성 평가는 삼전극 시스템을 이용하여 진행함. 작업 전극에 촉매 잉크를 도포하여 활성화 주기와 내구성을 평가함.
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탄소 껍질 두께 조절 전후의 촉매는 HR-TEM으로 분석하여 물리적 변화를 확인하고, 탄소 껍질의 두께 변화를 관찰함.
실험 결과
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HR-TEM 분석 결과, 탄소 껍질 두께 조절 전의 촉매는 3개 층 이상의 두꺼운 탄소 껍질을 가지고 있었음.
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탄소 껍질 두께 조절 후의 촉매는 탄소 껍질이 거의 보이지 않을 정도로 얇아진 것을 확인함. 이는 탄소 껍질 두께 감소에 성공했음을 의미함.
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활성화 주기 비교 실험에서, 탄소 껍질 두께 감소로 인해 활성화 주기가 기존 대비 1/150로 크게 감소함. 이는 활성화 시간이 단축되었음을 보여줌.
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내구성 평가 결과, 얇아진 탄소 껍질 촉매도 기존 촉매와 유사한 수준의 내구성을 보였음. 따라서 내구성을 유지하면서도 활성화 시간을 단축할 수 있음을 확인함.
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탄소 껍질 두께 조절을 통해 촉매의 활성화 시간과 내구성 사이의 균형을 달성하여 연료 전지의 산업적 적용 가능성을 높일 수 있음.
활용 방안 및 기대효과
활용 방안
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연료전지용 금속 촉매 제조 공정에 본 발명의 탄소 껍질 두께 조절 기술을 적용함. 이를 통해 활성화 시간이 단축되고 내구성이 유지되는 촉매를 생산할 수 있음
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탄소 껍질 두께를 정밀하게 제어하여 고성능 연료전지를 개발하는 데 활용 가능함. 물질 전달 특성이 향상된 촉매를 통해 연료전지의 효율을 높일 수 있음
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수소 연료전지 자동차와 발전용 연료전지 등 다양한 연료전지 응용 분야에서 본 기술을 적용함. 촉매 성능 향상을 통해 전반적인 연료전지 시스템의 성능을 개선할 수 있음
기대효과
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촉매의 활성화 시간 단축으로 연료전지 제조 공정의 효율이 향상됨. 이에 따라 생산 비용이 절감되고 대량 생산이 용이해짐
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내구성을 유지하면서도 성능이 향상된 연료전지를 통해 시장 경쟁력을 확보할 수 있음. 이는 연료전지 상용화에 긍정적 영향을 미침
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연료전지 기술 발전으로 친환경 에너지 보급에 기여함. 탄소 중립 목표 달성과 청정 에너지 수요 증가에 부응하여 사회적 가치를 창출할 수 있음
시장 동향
양성자 교환막 연료전지(PEMFC) 시장 동향
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양성자 교환막 연료전지(PEMFC)의 응용 분야
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대표도면
인천대학교 산학협력단
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