연료전지, 촉매 - 연료전지용 촉매 동향(2022년 5월 조사)(일본어판)/야노경제연구소

 <Concise Report>연료전지용 촉매 동향(2022년 5월 조사)(일본어판)

(일본어목차)燃料電池用触媒の動向（2022年5月調査）

자료코드: R64200702 / 2022년 9월 15일 발행 / B5 37p(PDF로만 제공)

YDB회원 열람 불가

◆조사개요

본 조사리포트는 정기간행물 Yano E Plus 2022년 6월호에 게재된 내용입니다.

■리서치 내용

~연료전지용 촉매로서 고가의 Pt가 많이 사용되고 있지만,

　기능과 내구성을 높여 Pt 사용량을 줄이는 것이 급선무~

1. 연료전지란

1-1. 자동차용 연료전지

1-2. 정치형 연료전지

2. 연료전지용 촉매란

3. 연료전지용 촉매의 시장규모 예측

그림·표1. 자동차용 연료전지의 일본 국내 및 세계WW 시장규모 추이와 예측(수량: 2020~2025년 예측)

그림·표2. 정치형 연료전지의 일본 국내 및 세계 시장규모 추이와 예측(수량: 2020~2025년 예측)

그림·표3. 연료전지용 촉매의 일본 국내 및 세계 시장규모 추이와 예측(금액: 2020~2025년 예측)

4. 연료전지용 촉매 관련 기업·연구기관의 대응 동향

4-1. 이시후쿠금속흥업 주식회사

(1) 이시후쿠금속흥업의

 연료전지용 촉매의 특징

(2) 담체 설계: 초고내구성 다이아몬드 적용 촉매 개발

(3) 촉매 성분: 백금 입자의 응집에 의한 열화를 억제하는 나노시트 구조의 촉매 개발

그림1. NEDO 프로젝트의 개요

(4) 촉매의 사업화

4-2. 국립대학법인 규슈대학

그림2. 전극 촉매의 모식도(좌)와 개발 촉매의 TEM 상(우)

그림3. 기존 기술과 개발 기술의 차이

그림4. 개발 촉매의 특징

4-3. 국립대학법인 신주대학교

(1) Pt 코어 쉘 나노시트 촉매

그림5. 기존의 코어 쉘 나노입자(좌)와 새롭게 개발한 Pt 코어 쉘 나노시트(우)

(2) Pt 단원자층 나노시트 촉매

4-4. 국립대학법인 도쿄공업대학

(1) 폴리이미드를 열처리하고 정제함으로써 얻을 수 있는 촉매

그림6. PEFC의 전극과 촉매 모식도

그림7. 지금까지 제안된 다양한 활성점 구조

(2) 진행 중인 NEDO 프로젝트: PEFC의 비백금화로 이어지는 신물질로서 산성 전해질

그 중에서도 안정적인 14원환 Fe 착체에 의한 대체 촉매 실현

①보다 높은 촉매 활성과 안정성을 갖춘 Fe계 열처리형 착체 모델

그림8. 방향족 14원환 Fe 착체 모델

②14원환 Fe 착체의 작성과 촉매 활성 및 안정성 검증

그림9. 방사광 분광에 의한 분석결과

4-5. 국립대학법인 도호쿠대학

(1) 음극: 제3원소 첨가를 통한 연료전지용 촉매 성능 향상

그림10. PEFC 내부 구조

그림11. 제작한 코어 쉘 모델 촉매의 강구체 모델

그림12. 코어 쉘 모델 촉매의 가속열화시험 중 계면 Ir 배치 Pt/Pd 시료의 활성, 

내구성 향상 이미지와 촉매 활성(산소환원반응 활성) 추이

(2) 양극: Ir 및 Ir-Pt 합금 단결정 모델 촉매의 수소산화반응 및 과산화수소 발생 특성

그림 13. H2O2 발생을 기점으로 한 막 열화 메커니즘

그림14. 양극 모델 촉매의 HOR 및 H2O2 발생 특성을 조사하는 실험방법

①Ir 단결정(111), (100), (110) 모델

그림15. Ir 단결정 모델의 HOR 특성

그림16. Ir 단결정 모델의 H2O2 발생 특성

②Ir(111) 기판 표면에 구축한 Ir-Pt 합금 단결정 모델

그림17. HOR 특성과 H2O2 발생 특성과의 관계

4-6. 국립대학법인 야마나시대학

(1) 양극: 연료전지의 열화를 대폭 억제하는 백금-코발트 합금 수소극 촉매 개발

①내산성을 높인 백금 스킨/백금-코발트 합금 촉매

그림18. 연료전지 작동 시 각 전극에서의 반응(좌). 

수소극 확대도: 과산화수소 발생과 OH 래디컬에 의한 전해질막 분해 열화(우)

그림19. 시제작한 Pt 스킨/PtCO 합금 촉매의 전자현미경 사진

②가속열화시험을 통한 성능 비교

그림20. 수소극 촉매의 H2O2 발생 억제 효과 비교(좌), 

및 단셀 가속열화시험에서의 셀 수명 비교(우)

(2) 음극: 고효율, 고출력, 고내구 PEFC를 실현하는 혁신적 음극 촉매재료 개발

①세라믹스 담체계 촉매

그림21. 세라믹스 담체 SnO2좌쪽)와 전극 촉매 Pt/SnO2의 TEM 상(우)

그림22.Pt 나노로드 담지 Nb-SnO2 촉매의 TEM 상(좌) 및 비활성(중)과 질량 활성(우)의 기존 비교

그림23. Pt/Nb-SnO2 촉매의 기동정지 내구성

②탄소 담체 촉매

그림24. 네트워크 OMC 담지 Pt 촉매의 구조(왼쪽 위), 네트워크 OMC 담체(왼쪽 아래) 

및 OMC 상 Pt 입자의 자기규칙배열을 나타내는 전자현미경 상(오른쪽 아래)

③정전도공(스프레이)법

그림25. 정전스프레이법의 원리(상) 및 정전스프레이장치의 외관(하)

5. 연료전지용 촉매의 장래 전망