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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)

Applied Chemistry for Engineering Vol.30 No.6 pp.659-666
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2019.1089

A Comprehensive Review of PEMFC Durability Test Protocol of Pt Catalyst and MEA

Kahyun Ham^*

, Sunki Chung^*

, Jaeyoung Lee^*,**,†

^*School of Earth Sciences and Environmental Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), 123 Cheomdan-gwagiro, Buk-gu 61005, Korea
^**Ertl Center for Electrochemistry and Catalysis, GIST, 123 Cheomdan-gwagiro, Buk-gu 61005, Korea

Corresponding Author: Gwangju Institute of Science and Technology (GIST), School of Earth Sciences and Environmental Engineering, 123 Cheomdan-gwagiro, Buk-gu 61005, Korea Tel: +82-62-715-2440 e-mail: jaeyoung@gist.ac.kr

Received November 5, 2019 ; Review November 10, 2019 ; Accepted November 14, 2019

Abstract

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) generate electricity by electrochemical reactions of hydrogen and oxygen. PEMFCs are expected to alternate electric power generator using fossil fuels with various advantages of high power density, low operating temperature, and environmental-friendly products. PEMFCs have widely been used in a number of applications such as fuel cell vehicles (FCVs) and stationary fuel cell systems. However, there are remaining technical issues, particularly the long-term durability of each part of fuel cells. Degradation of a carbon supported-platinum catalyst in the anode and cathode follows various mechanistic origins in different fuel cell operating conditions, and thus accelerated stress test (AST) is suggested to evaluate the durability of electrocatalyst. In this article, comparable protocols of the AST durability test are intensively explained.

Key Words : Proton exchange membrane fuel cells , Electrocatalyst , Durability , Accelerated stress test

수소연료전지 백금촉매 및 MEA 장기내구성 평가 방법의 비교

함 가현^*

, 정 선기^*

, 이 재영^*,**,†

^*광주과학기술원 지구⋅환경공학부
^**광주과학기술원 Ertl 탄소비움연구센터

초록

고분자전해질 수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하여 전기를 자발적으로 생산하며, 높은 전류밀 도와 비교적 낮은 구동온도의 장점을 가져 화석연료를 대체할 미래 친환경 화학에너지 변환 장치이다. 현재 연료전지 는 수소전기차를 중심으로 가정용 연료전지, 수소연료전지 발전소 등 다양한 산업에서 활용 중에 있다. 하지만 연료전 지 산업의 지속적인 성장을 위해서는 여러 기술적인 문제가 보완되어야 하며, 그 중에서도 연료전지 각 구성요소의 장기 내구성을 필수적으로 확보해야 한다. 특히 연료전지의 연료극과 공기극에서 사용되는 탄소담지 백금촉매는 연료 전지 운전조건에 따라 다양한 기작을 통하여 성능 감소가 일어난다. 이에 연료전지용 촉매의 내구성 파악을 위한 가 속테스트법이 다양하게 제시되고 있다. 본 논문에서는 연료전지용 백금 기반 촉매의 성능 감소 기작을 설명하고, 지금 까지 제시된 가속스트레스 시험을 통한 내구성 평가 방법에 대해 비교하고자 한다.

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1. 서 론

고분자전해질 수소연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 전기화학적으로 직접 전기를 생산하는 장치로 연료극에서 의 수소의 산화반응(H₂ → 2H⁺ + 2e^-, 0.0 V vs. RHE)과 공기극에서의 산소의 환원반응(1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O, 1.23 V vs. RHE)을 이용 한다. 산화/환원 반응을 극대화하기 위하여, 연료전지는 대개 촉매층 전해질 간의 거리가 굉장히 적은 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA) 구조를 띠고 있으며, Figure 1(a)과 같이 두 개의 가 스확산층(gas diffusion layer, GDL), 두 개의 촉매층(catalyst layer), 고 분자전해질 층으로 구성되어 있다. 연료극에 공급된 수소는 GDL을 통 과하여 촉매층에 있는 촉매에 의해 수소 이온과 전자로 산화 분리되 며, 공기극에서는 고분자전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부부하 를 통해 이동한 전자가 공급된 공기 중 산소를 환원시키어 물을 생산 한다. 이 과정에서 생성되는 전자의 외부 흐름에 의해 전력을 발생하 게 된다. PEMFC의 열역학적 셀 전압은 1.23 V이지만, Figure 1(b)와 같이 전류 밀도에 따른 세 가지 원인에 의해 실제 셀 전압은 1.23 V보 다 항상 작은 값을 보인다. 낮은 전류밀도에서는 (i) 활성화 유실로 실 제 셀 전압이 1 V에 가까운 값을 나타내는데, 이는 촉매의 활성에 의 해 결정된다. 중간 전류밀도에서는 (ii) 저항 유실이 지배적이다. 이는 MEA 중 전기전도성이 없는 고분자전해질에 의해 주로 결정되는 요 소이다. 높은 전류밀도에서는 (iii) 물질 전달 유실에 의해 연료전지의 셀 전압이 급격하게 강하된다. 높은 전류밀도로 인해 환원극에서 생 성되는 물의 양이 많아져 촉매층 내의 촉매 표면으로 반응 가스들이 도달하지 못하여 생기는 현상이다[1]. 즉, MEA의 모든 구성요소가 연 료전지의 성능에 많은 기여를 하고 있음을 의미한다. 하지만 PEMFC 는 다른 형태의 연료전지에 비해 전류밀도 및 출력밀도가 높고, 작동 되는 온도가 낮으며, 부하 변화에 대한 응답특성이 빠른 장점이 있어 건물용 및 백업 전원 그리고 차량용 주전원 등 다양한 범위로 사용될 수 있다[2]. 건물용 연료전지(stationary PEMFC)의 경우, 비교적 일정 하게 낮은 출력밀도로 구동되는 반면, 수송용 연료전지(transportation PEMFC)는 주행 속도에 따라 요구 출력밀도가 급격하게 변동되기 때 문에 넓은 셀 전압 범위에서 구동이 된다.

현재 PEMFC의 상용화 및 보급에 있어서 제한되는 요소는 높은 스 택 제작비용으로 볼 수 있다. PEMFC 시스템에서 스택의 비용이 차지 하고 있는 원가 비중은 49% 정도이며, 이 중 전극 및 이온교환막이 차지하고 있는 비중은 55%이다[Figure 2(a)][3]. 스택의 핵심부품 중 가장 큰 원가 비중을 차지하고 있는 전극촉매는 주로 백금을 활용하 고 있으며 제한된 백금의 매장량으로 인해서 전체 시스템의 가격을 줄이는데 어려움을 겪고 있다. 따라서 PEMFC 촉매에 있어서 백금과 같은 귀금속의 함량 및 사용량을 저감하려는 연구들이 진행되고 있다 [4]. 연료극의 경우에서 백금의 사용은 그 스스로가 높은 활성을 갖기 때문에 여러 담지체 개발과 입자크기를 나노 크기로 조절함으로써 산 화전극의 백금의 사용량은 0.2~0.4 mg_Pt/cm²로부터 0.05 mg_Pt/cm²으로 낮추는 것이 가능하다고 알려졌다[5]. 그러나 수소 산화반응보다는 공 기극의 산소환원반응이 반응 속도가 더 느려 더 많은 양의 백금이 요 구된다. Figure 2(b)를 통해 스택 내 공기극에서 백금 로딩량과 상관관 계를 살펴보면, 공기극에서 백금의 양이 0.1 mgpt/cm²일 때 스택이 가 격대비 높은 성능을 유지할 것으로 예측된다[6]. 종래에는 백금을 완 전히 사용하지 않고도 PEMFC에서 성능을 보이는 촉매를 개발하려는 움직임들이 많이 일어나고 있다[7-10]. 하지만 연료전지 내의 백금의 함량에 대해서는 백금 함량에 따른 성능, 내구성, 그리고 가격을 복합 적으로 생각하여야 하며 이러한 부분을 고려하였을 때 PEMFC에서 백금을 완전히 배제하는 것은 사실상 불가능하다.

현재 여러 방법을 통하여 백금의 함량 또는 사용량을 줄이며 고활 성의 백금촉매개발을 시도하고 있지만, 동시에 장기내구성까지 확보 하는 것은 매우 도전적인 과제라고 할 수 있다. 백금의 양을 줄이면서 도 촉매의 성능을 유지 혹은 향상시킬 방안으로는 니켈, 코발트, 이트 리움 등과 같은 전이금속과의 합금을 통해 백금의 d-band 전자구조 및 표면 상태를 변화시키는 방향으로 많은 연구가 진행되고 있다. 이 러한 백금-전이금속 합금 중 코발트 혹은 니켈과의 조합이 가장 좋은 것으로 발표되었지만, 하지만 코발트와 같은 전이금속의 낮은 내구성 으로 인해 위와 같은 백금합금촉매의 구조들은 쉽게 성능을 잃어버림 으로써 장기 내구성 확보에 어려움이 있다[11].

미국, 일본, 유럽, 중국 등 다양한 국가에서 국가적 차원으로 연구 개발 프로그램을 설립하여 연료전지 기술에 관한 왕성한 연구를 진행 하고 있다. 특히, 미국의 에너지부(Department of Energy, DOE), 일본 의 신에너지 산업 기술 종합 개발 기구(New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO)과 유럽연합의 Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU)은 PEMFC를 수송용 및 건 물용 용도로 상용화하기 위해 기술적인 목표치를 설정해두었다. 2015 년 기준으로 MEA 내에 포함되는 백금계 금속의 총 사용량은 대부분 0.10 g/kW로 설정해 두고 있어, 가격경쟁력 확보를 위해 백금의 사용량을 감소시키는 추세임을 알 수 있다. 수송용 PEMFC의 경우, 세 기관 모 두 5,000 h의 구동시간을 요구하는데 이는 약 240,000 km의 주행거리 와 10 yr의 수명을 의미한다[12](Table 1). 그러나 실제로 PEMFC 차 를 10 yr 동안 구동하면서 내구성을 평가하기에는 비용 및 시간적 손 실이 크기 때문에, 사용자가 주행하는 방식이나 연료전지 스택이 열 화 되는 기작을 기반으로 하여 단기간에 연료전지의 내구성을 측정하 는 가속스트레스 시험(accelerated stress test, AST) 방식이 사용되고 있다. 반면, 건물용 PEMFC의 경우, 앞서 언급하였듯이 구동 전압의 변 화 정도가 수송용보다는 적어 요구되는 수명이 12,000 h에서 90,000 h로 상당히 길다. 또한 고 순도의 수소를 사용하는 수송용 PEMFC와 다르게, 건물용 PEMFC는 천연가스를 개질한 가스를 연료로써 사용 하기에 수송용 PEMFC와는 다른 방식으로 내구성을 측정한다. 본 논 문에서는 연료전지의 핵심 부품인 촉매의 내구성이 감소하는 기작을 설명하고, 세 기관에서 발표한 수송용 PEMFC의 AST 프로토콜을 비 교하고 현재까지 알려진 건물용 PEMFC용 AST 프로토콜을 서로 소 개하고자 한다.

2. 본 론

PEMFC 내 두 전극의 촉매는 보통 백금촉매를 사용하는데, 백금의 전기화학적 활성 면적(electrochemical surface area, ECSA)을 증대시 키고 백금의 유실을 감소시키기 위해 주로 전도성 탄소 위에 수 nm 크기의 백금 입자가 고르게 담지한 형태의 촉매를 사용하게 된다. 두 전극 모두 같은 형태의 촉매를 쓰지만, 촉매의 성능은 앞서 언급하였 듯이 연료극에서 더 높고, 산소극은 느린 과전압과 반응속도를 보인 다[13]. 내구성 관점에서도 연료극보다는 산소극이 더 열등한데, 이는 느린 반응속도에서 오는 넓은 구동 전위 범위에서 비롯된다. 산소극 은 연료극과 같은 전류밀도를 출력하기 위해서는 과전압의 크기가 커 지게 되고 이는 약 0~1.0 V vs. RHE가 된다. 해당 구동 전압에서는 산소환원반응뿐만 아니라 백금과 탄소에서도 산화/환원반응이 일어나 기 때문에 이 반응들로 인해 산소극의 열화가 유발된다.

백금촉매의 ECSA를 확인하는 방법은 다음과 같다[14]. Figure 3(a) 와 같이 전극의 순환 전압전류곡선(cyclic voltammogram, CV)을 측정 한 후, Pt-H adsorption과 desorption peak에서 double layer region를 제 외한 만큼의 면적[Q_H-ads/des (C)]을 계산한다. 또한, 다결정의 백금에서 charge full coverage 값인 Q_H = 210 μC cm^-2를 conversion factor로 두 고 (1)를 이용하여 백금의 ECSA를 이용하여 계산할 수 있다. 이렇게 흡⋅탈착 peak를 이용하여 각 계산한 ECSA의 평균값을 사용한다.

\begin{array}{l} {ECSA}_{Pt} (m^{2} g_{pt}^{-1}) = \\ {[Q}_{H-ads/des} (C) / 210 μCC {cm}_{Pt}^{-2} L_{pt} {(mg}_{Pt} {cm}^{-2}) Ag {(cm}^{2})] 10^{5} \end{array}

(1)

L_pt는 전극의 백금 로딩량이고, A_g는 전극의 면적을 의미한다. 수소 흡⋅탈착 외에 다른 방법으로는 일산화탄소(carbon monoxide, CO)가 백금 표면에 비가역적 흡착하는 peak를 이용하여 백금의 ECSA를 계 산할 수 있다. 이러한 CO stripping 법은 백금 합금 촉매 혹은 비 백금 촉매의 경우에도 많이 사용된다. 내구성 테스트 전과 후의 백금촉매 의 ECSA를 계산하면, 백금의 열화로 인한 백금 입자의 뭉침 및 유실 현상을 정량적으로 파악할 수 있다.

촉매의 산소환원반응에 대한 활성을 확인하는 방법은 다음과 같다 [15]. 산소가 포화된 전해질에서 선형주사전위법(linear sweep voltammetry, LSV)을 이용하여 전극의 전압전류곡선을 구하고, 본 곡선에서 질소 분위기에서 측정된 곡선을 감한다. Figure 3(b)에서 볼 수 있듯이 산소환원반응 성능 곡선에서 다양한 성능 지표를 얻을 수 있다. 급격 히 환원전류가 일어나는 전위인 onset potential (E_onset)을 통해 촉매 표 면에서 산소환원반응이 얼마나 빠르게 일어나는지 알 수 있다. 전위 를 인가해줌에 따라 bulk solution에서 확산되는 속도가 촉매 표면의 산소환원반응의 속도를 따라잡지 못해 표면의 산소 농도가 저하되고 전류의 plateau 구간이 생기는데 이때의 전류밀도를 diffusion limited current density (JL)라 한다. Zero current와 diffusion limited current의 중간 지점의 전위를 half wave potential (E_1/2)이라 한다. 이 지표는 산 소환원반응의 kinetic과 diffusion에 의해 영향을 받으며, 산소환원반응 의 활성을 비교하는 척도로 널리 쓰이고 있다. 이러한 산소환원반응 의 활성을 나타내는 지표를 통해 내구성 테스트 전과 후의 백금촉매 활성 변화를 확인할 수 있다.

현재까지 알려진 백금촉매의 열화 기작은 Figure 4(a)과 같이 다섯 가지로 분류된다[16]. 산소환원반응의 작동 전위에서 백금 용출(platinum dissolution)이 일어난다고 여러 문헌을 통해 알려져 있다. 백금 용 출은 단순히 백금이 전해질 내 물로 인해 이온 상태가 되는 것이 아 닌, 0.8 V 근처에서 Pt-O가 형성되고 산소환원반응 중 Pt-O가 환원되 는 과정을 반복하는 과정에서 백금이 이온 상태로 용출된다[17]. 백금 이온은 MEA 내 고분자전해질에 다시 증착되어 수소에 의해 고체 상 태로 환원되어 수소이온의 이동을 방해할 수 있고, 다른 백금 입자에 다시 증착되어 입자 크기를 성장시키는 Ostwald ripening 현상이 발생 한다. 백금 입자의 원하지 않는 성장은 agglomeration을 통해서도 진 행되며, 이는 탄소담지체 표면에서 백금 입자들이 이동하여 서로 뭉 쳐지는 현상을 의미한다. 또한, 백금 입자와 탄소담지체사이의 결합세 기가 적을 경우, 백금 입자가 지지체에서 떨어지는 현상(detachment) 이 발생하기도 한다. 세 현상으로 인해 백금 입자 크기가 커져, ECSA 가 감소하면서 활성을 잃게 된다. 탄소지지체의 산화(carbon corrosion) 로 인해 백금촉매의 내구성이 감소할 수 있다. 탄소의 산화반응 (C + 2H₂O → CO₂ + 4H⁺ + 4e^-)은 0.207 V vs. RHE부터 일어나지만, 백금 입자가 탄소표면에 존재할 경우, 백금 입자가 산화반응에 대한 촉매로써 작용하여 탄소 산화반응이 가속화되어, 탄소의 구조적 특성 을 잃을 수 있다. 탄소의 기공구조가 감소하면서 백금 입자가 함께 탈 락할 수 있으며, 기공구조의 부재로 인해 물질전달이 제한될 수 있다 [18]. 산소환원반응에 대한 내구성을 측정하기 위하여, MEA 구조의 고분자전해질이 아닌 수소이온이 풍부한 액체전해질에서 반쪽 전지 시스템을 통해 백금촉매의 내구성을 평가할 수 있다. 그러나 최근 발 표에 따르면, 전해질의 상에 따라 백금촉매 열화 주요 기작이 달라지 는데, 액체 전해질 내에서는 입자 성장 > 탄소 부식 > 백금 용출 순에 의해, 고분자전해질에서는 탄소 부식 > 입자 성장 > 이오노머 부식 순 에 의해 열화 되는 것으로 가속테스트 중 정량적인 측정을 통해 밝혀 졌다[19]. 즉, 고분자전해질에서는 탄소 부식이 중요한 열화기작이 되 는데, 특히 PEMFC에서 연료가 고갈되었을 때, 탄소부식이 더욱이 가 속화 된다. 연료극의 수소가 고갈되면, 고분자전해질을 통해 공기극의 공기가 crossover 되어 연료극에도 공기가 포화된다. 그때, 역 전위가 인가되면서 연료극에서는 산소환원반응이 공기극에서는 탄소를 연료 로 사용하는 탄소산화반응과 산소발생반응이 일어나게 된다. Figure 4(b)과 같이 공기극에서는 높은 전위가 적용되면서 백금촉매는 산화 반응을 통해 백금산화물로 변형되게 되어 심각한 열화를 일으킬 수 있다. 이러한 역 전위 현상은 PEMFC 구동 중에서는 발생하지 않으 며, 연료극에 수소의 농도가 낮아진 경우나 연료전지 스택을 끄거나 켜는 과정에서 순간적으로 형성되게 된다[20]. 따라서 크게 세 가지 관점으로 수송용 PEMFC 내 촉매의 내구성을 측정하게 된다. 첫 번째 는 실제 연료전지 구동 전위를 반복함으로써 백금촉매의 용출을 유발 하여 백금촉매의 변화를 측정하는 방식과 두 번째는 탄소의 산화가 과도하게 일어나는 전위를 반복적으로 인가하거나 연료전지의 시동 을 반복해서 껐다가 킴으로써 역 전위를 유발하여 백금촉매의 변화를 측정하는 방식이다. 세 번째는 실제 도로주행 중 연료전지의 출력변 화를 모방한 전류밀도 변화 사이클을 이용하여 연료전지의 내구성을 측정하는 방식이다.

Table 2는 미국 DOE에서 발표한 PEMFC MEA의 성능 및 내구성 을 측정하는 방법에 대한 프로토콜을 정리한 표이다[12]. PEMFC MEA 의 성능을 평가하기 위해서는 (i)과 같이, 개회로전압에서부터 전류밀 도를 0.2 A/cm²씩 단계적으로 증가시키면 된다. 성능을 판단하는 척 도는 특정 전압(0.8 혹은 0.65 V)에서의 전력밀도나 최고 전력밀도로 판단한다. 2020년 DOE technical target 기준으로 PEMFC의 성능은 1,800 mW/cm²의 최고전력밀도에 도달해야 한다. (ii)와 (iii)은 앞서 말한 촉매 열화 기작 중 각각 백금 용출과 탄소 산화에 초점을 맞춘 AST 프로토콜이다. (ii)는 백금이 산화(0.6 V)되고 백금산화물이 다시 환원되는 전위(0.95 V)를 반복해서 걸어줌으로써 백금 용출을 가속하 는 방법이다. 이때, 두 전위를 3 s씩 일정하게 반복하여 인가하는 square 법과 순환전류전압 법을 통해서 내구성 테스트를 시행하는 cycling 법으로 분류되는데, square 법이 급격한 전압 변동으로 인해 백 금의 용출이 더 증가되어 cycling 법보다 촉매가 더 빠르게 열화된다 고 보고되었다. 따라서 현재는 square 법을 통해 촉매의 내구성을 판 단한다. 30,000회의 cycling 후 백금의 ECSA와 촉매 활성 변화를 측 정하여 촉매 열화 정도를 판단하면 된다. (iii)은 탄소의 산화가 급격하 게 일어나는 전위 범위인 1.0~1.5 V를 빠르게 순환하여 5,000회 이후 의 백금의 ECSA와 촉매 활성 변화를 측정하여 촉매 열화 정도를 검 토하는 방식이다. (iv)는 실제 PEMFC 차가 구동되었을 때를 고려한 내구성 테스트 프로토콜이다. 저 전류와 고 전류를 번갈아 출력하되, 수소/공기에 무 가습 상태에서도 전류를 번갈아 출력해준다. (v)는 일 정 전류에서 구동 후, 시동을 반복해서 껐다 켜는 방법으로 연료극에 공기를 함께 넣어주면서 역전류를 유발하여 촉매의 급격한 열화를 관 찰하는 프로토콜이다. 약 10 day 동안 해당 프로토콜을 약 5,000회 반 복한 후 백금촉매의 활성 면적과 1.2 A/cm²에서의 셀 전압을 검토함 으로써 촉매의 내구성을 검토한다.

Table 3은 일본 NEDO에서 사용하는 촉매의 내구성을 평가하기 위 한 AST 프로토콜이다[21]. 두 개의 프로토콜은 앞서 설명한 DOE의 각각 (iii) catalyst support durability와 (ii) electrocatalyst durability 방 식과 거의 흡사함을 알 수 있다. NEDO의 경우 탄소산화를 보는 (i) start/stop cycle의 반복횟수가 60,000회이며, 백금 용출을 보는 (ii) load cycle의 반복횟수가 400,000회로 5,000과 30,000회의 DOE 프로토콜 과는 큰 차이점을 보인다.

Table 4는 유럽연합의 FCH JU에서 발표한 PEMFC의 성능 및 내구 성 검토 방법이다[22]. PEMFC의 성능은 DOE와 마찬가지로 개회로 전압에서부터 단계적으로 전류밀도를 증가시키어 출력전력과 셀 전 압을 관찰한다. DOE와 다르게 본 프로토콜에서는 저 전류밀도(0~0.1 A/cm²)에서는 0.02 A/cm²로 1 min씩 전류밀도를 증가시키고 고 전류 밀도(0.1~2.0 A/cm²)에서는 0.2 A/cm²로 2 min씩 전류밀도를 증가시 킨다. 또한, 셀 성능을 판단하는 척도로써 세 가지 전류 밀도(0.1, 0.8, 1.8 A/cm²)에서의 셀 전압을 이용한다. 세 가지 전류 밀도는 앞서 언 급한 MEA의 활성화 유실, 저항 유실, 물질전달 유실을 고려하기 위해 서다. FCH JU에서는 light-duty의 수송차들의 특징을 부각한 new european driving cycle (NEDC)라는 사이클 및 이를 PEMFC에 최적화한 fuel cell dynamic load cycle (FC-DLC)를 개발하였다. 해당 사이클은 도심에서의 4회의 저속 운행 사이클(urban driving cycle, UDC)과 1회 의 고속도로에서의 운행 사이클(extra urban driving cycle, EUDC)을 포함하고 있으며 총 1,180 s 동안 가속, 감속, 일정 속도에서 나타나는 전류밀도의 변화를 반영하였다. 본 사이클을 반복함으로써 실험실 규 모에서도 PEMFC의 내구성 측정을 실제 운행 조건과 최대한 비슷하 게 진행할 수 있다. 1회의 FC-DLC 사이클은 11 km 실제 주행과 상응 하고 이를 총 1,400회 반복한 프로토콜이 (ii)이다. 1,400회는 15,400 km로 1 yr당 평균 주행거리인 16,000 km와 거의 일치하는 수치이다. 즉, 약 450 h의 내구성 프로토콜을 통해 1 yr간의 PEMFC 차량의 내구 성을 판단할 수 있다. 또한, 최근 연구결과에 따르면 PEMFC를 구동되 는 동안 열화된 촉매가 시동을 끄고 휴지기를 가지고 재가동을 하면 성능이 회복될 수 있다. 이를 바탕으로 하여 (iii)은 50회의 FC-DLC 사이클과 그에 상응하는 시간의 휴지기를 반복해서 내구성을 검토하 는 프로토콜이다. (iv)는 DOE의 (iv) drive-cycle durability와 (v) start-up/shut-down durability 프로토콜의 중간체로 shut-down 상태(0.0 mA/cm²)와 고 전류밀도(j @ 0.65 V mA/cm²)를 30 min씩 번갈아 작 동하는 방법이다.

건물용 PEMFC의 경우, 고 순소 수소가 아닌 개질 가스(reformed gas)를 연료극에 주입하여 구동하기에 촉매 및 MEA의 내구성을 예측 하기 위해서는 앞서 설명한 백금 용출이나 탄소 산화뿐만 아니라 일 산화탄소의 피독현상을 고려해야 한다. 개질 가스는 메탄과 이산화탄 소, 수소, 일산화탄소를 포함하고 있으며, 일산화탄소는 백금의 표면 에 강력하게 흡착하는 성질을 가지고 있다[23]. 일산화탄소가 백금 표 면에 흡착되면 수소산화반응이 일어나는 지점을 가려 촉매능이 낮아 지는 피독현상이 발생하기 때문에, 일산화탄소의 농도와 노출 시간 등을 고려하여 구동 조건 및 내구성 검토 방안을 마련해야 한다. DOE 는 건물용 PEMFC의 실제 구동 조건에서 가동하였을 때, 과도작동 /start-up/shut-down을 포함 사이클을 1,000 h 동안 반복하였을 때, 0.3% 이하로 성능이 감소해야 한다는 기술적 목표치를 설정해 두었 다. 그러나 건물용 PEMFC는 약 40,000 h의 수명이 요구되지만, 수송 용 PEMFC와 같이 빠른 시간에 내구성을 측정하는 AST 프로토콜이 아직 확립되어 있지 않다. 최근 일산화탄소의 농도(10~50 ppm), 전류 인가 사이클링의 주기와 범위, 내구성 테스트 중도 성능 측정 방식 (polarization curve 혹은 순환전류전압 곡선)들이 촉매의 주된 열화 가 속화 변수로 판단되어 이를 변경해가면서 AST 프로토콜을 개발하려 는 연구가 진행되고 있다[24,25].

내구성 테스트를 완료 후, 전기화학적으로 혹은 단전지 내에서 백 금촉매 및 MEA의 성능을 검토할 수 있지만, 이를 광학적으로도 내구 성에 따른 변화를 관찰할 수 있다. Figure 5(a)는 탄소담지체 위에 백 금이 담지된 일반적인 백금촉매의 transmission electron microscopy (TEM) 이미지로써 수 nm의 백금 나노입자가 균일하게 탄소담지체 위에 분포되어 있다. 내구성 테스트를 진행한 후, 백금촉매는 백금 용 출 후 agglomeration 및 탄소 산화로 인해 탄소담지체 위의 백금 입자 들의 크기가 크게 증가하고 백금 나노입자의 수가 감소한 것을 Figure 5(b)를 통해 확인할 수 있다[26]. 용출된 백금촉매의 분포는 high resolution- scanning electron microscopy/electron dispersion spectroscopy (HR-SEM/EDS)를 통해 내구성 전과 후의 MEA를 이용하여 비교할 수 있다. Figure 5(c)는 내구성 전의 MEA 단면으로 황이 분포되어 있 는 부분은 고분자전해질을 의미하며, 고분자전해질의 상단과 하단에 백금촉매층이 위치하고 있다. 내구성 테스트 후에는 용출된 백금 이 온이 GDL 쪽으로 이동하고 다시 증착되어 GDL에 백금이 위치하는 것을 관찰할 수 있다[Figure 5(d)]. 또한 탄소 산화로 인해 GDL 및 촉매 층 두께가 감소한 것을 관찰할 수 있다[27].

3. 결 론

고분자전해질 수소연료전지(PEMFC)의 상용화를 위해서는 핵심부 품인 막-전극 접합체(MEA)의 장기내구성 확보가 중요한 문제로 대두 되고 있다. 현재까지 수송용과 건물용 PEMFC에서 제시된 백금기반 전극촉매의 열화 거동 및 해당 열화반응을 가속화하여 내구성 평가를 빠른 시간 내에 완료하는 프로토콜에 대해 비교하였다. 첫 번째로 구 동전압 중 0.6~1.0 V 사이에서 백금 용출에 의해 촉매의 내구성이 감 소하여 이를 반응을 가속화하기 위해 해당 전위범위를 반복하는 방법 을 사용한다. 두 번째로 백금의 촉매반응, 연료의 부족 및 start-up/ shut-down에서 생성되는 역전류로 인해 발생되는 탄소산화 또한 촉매 열화의 주요 원인이기에 1.0~1.5 V 전위 범위를 사이클링하거나 PEMFC의 start-up/shutdown을 반복하며 내구성을 검토한다. 마지막 으로 실제 도로주행 중 PEMFC에 가해지는 전류 변화를 모방한 사이 클을 만들어 이를 장시간 반복하는 프로토콜도 사용되고 있다. 건물 용 PEMFC는 일산화탄소 피독에 의해 연료극의 촉매가 열화 되고, 현 재 프로토콜을 확립하기 위한 많은 연구가 진행 중이다. 촉매 열화 거 동에 기반을 두어 PEMFC용 촉매를 설계해야 하며, 제안된 프로토콜 을 통해 촉매와 MEA의 내구성을 평가하는 것이 필수적이다. 뿐만 아 니라, 구동 조건 및 수송용에서는 실제 주행 패턴 등을 고려한 PEMFC 의 내구성 평가방법을 지속적으로 연구되어야 한다.

감 사

This research was supported by the project R16EA01 of Korea Electric Power Corporation (KEPCO) and GIST Research Institute (GRI) grant funded by the GIST in 2019.

Figures

Figure 1.(a) Scheme of proton exchange membrane fuel cell and (b) I-V characteristics curve of PEMFC single cell.

Figure 2.(a) Cost of a fuel cell system and 500,000 systems per yr[3] and (b) correlation between Pt loading amount at cathode and PEMFC stack cost[6].

Figure 3.(a) Cyclic voltammogram for ECSA determination[14] and (b) ORR LSV curve of a Pt catalyst[15].

Figure 4.(a) Five suggested degradation mechanisms of Pt catalyst [16] and (b) schematic diagram illustrating the reverse current mechanism[ 20].

Figure 5.TEM images of Pt/C catalyst (a) at the beginning of life (BoL) and (b) after AST[26]. cross-sectional HR-SEM/EDS image of (c) MEA at BoL and (d) end of life (EoL)[27].

Tables

Table 1.PEMFC Technical Targets from Three Organizations[12,21,22]

Table 2.PEMFC Performance and Durability Protocols from U.S. DOE[12]

Table 3.PEMFC Durability Protocols from Japan NEDO[21]

Table 4.PEMFC Performance and Durability Protocols from European Union FCH JU[22]

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