PEMFC, that can convert hydrogen to energy in mild operating condition of 80oC, is key technology of green energy. Large amount of Pt is used in cathode due to its high overpotential. Alloying Pt with transition metal and encapsulating the alloy nanoparticle to prevent metal leaching strategies have reported high activity and durability with reduced Pt usage. However, the synthesis scale was too small or too complex. Thus, this research used commercial polystyrene and impregnated Pt through ball mill to synthesize carbon encapsulating nanoparticle electrocatalyst in gram scale. The Pt deposited on the support existed as 2~3nm cluster or larger alloy nanoparticles with high dispersion. By testing half cell activity with various contents of Fe, Ni and Pt, maximum mass activity was found to be 0.82 A/mgPt and 0.57 A/mgPt for PtFe/cPS and PtNi/cPS. After 10 000 cycles, both PtFe/cPS and PtNi/cPS retained over 70% of initial activity, confirming the enhanced durability by encapsulation. The performance was lacking at single cell, but by enhancing single cell activity through reducing the support particle size, the research would contribute to commercialization of fuel cell.
양성자 교환막 연료전지는 (PEMFC) 는 80oC 의 비교적 낮은 온도에서 수소를 에너지로 변환하는 친환경 에너지의 핵심 기술이다. 하지만 환원극에서 일어나는 산소환원반응은 높은 과전압으로 인해 다량의 백금을 사용하는데 이는 연료전지 가격상승의 큰 요인으로 꼽힌다. 이를 해결하기 위해, 백금과 전이금속을 합금하며 동시에 전이금속 용출을 막기 위해 금속 나노입자에 탄소 막을 형성하는 연구가 높은 활성과 내구성을 보인 바 있다. 하지만 생산 스케일이 매우 작거나 생산과정이 지나치게 복잡하다는 문제가 있었다. 따라서 본 연구에서는 상용 폴리스타이렌을 사용하고 볼 밀을 통해 백금을 담지하여 합금 나노입자 위 탄소 막을 형성하는 촉매를 그램 단위로 합성하는 방법을 개발했다. 촉매에 포함된 백금은, 합금 나노입자와 2~3nm 의 클러스터 형태로 고분산 되어있다. 다양한 철, 니켈 및 백금 함량에서 반쪽전지 성능 평가를 통해 백금-철 합금 촉매는 최고 0.82 A/mgPt 그리고 백금-니켈 합금 촉매는 최고 0.57 A/mgPt의 활성을 나타내는 것을 확인했다. 또한 10 000 사이클 이후에도 해당 촉매는 70% 이상의 성능을 유지하며 탄소 막 촉매의 높은 내구성을 확인했다. 단전지에서는 성능이 부족했지만 입자 크기 축소를 통해 단전지에서 성능을 개선한다면 연료전지 상용화에 보탬이 될 수 있을 것이라고 사료된다.
