정렬된 막 전극
정렬된 막 전극 – 연료 전지 촉매 코팅 – Cheersonic
GDE형 MEA와 CCM형 MEA의 촉매층은 촉매와 전해액을 혼합하여 촉매 슬러리를 형성한 후 코팅하는 방식으로 제조됩니다. 이렇게 제조된 MEA의 양성자, 전자, 기체, 물 등의 물질 전달 채널은 무질서한 상태여서 물질 전달 효율이 매우 낮고 분극 현상이 크게 발생하여 MEA의 고전류 방전에 적합하지 않습니다. 또한, MEA 내 백금 함량이 비교적 높습니다. 따라서 고성능, 장수명, 저비용 MEA 개발이 중요한 연구 과제로 떠오르고 있습니다. 규칙적인 구조를 가진 MEA는 백금 이용률이 매우 높아 MEA의 비용을 효과적으로 절감할 수 있을 뿐 아니라 양성자, 전자, 기체, 물 등의 물질 전달을 효율적으로 하여 PEMFC의 종합적인 성능을 향상시킬 수 있습니다.
정렬된 막 전극에는 탄소 나노튜브 기반의 정렬된 막 전극, 촉매 필름 기반의 정렬된 막 전극, 그리고 양성자 전도체 기반의 정렬된 막 전극이 포함됩니다.
탄소 나노튜브 기반의 정렬된 필름 전극
탄소 나노튜브의 흑연 격자 구조는 높은 전위에서도 내구성이 뛰어납니다. 백금(Pt) 입자와의 상호작용 및 탄성은 Pt 입자의 촉매 활성을 향상시킵니다. 지난 10년간 수직 정렬 탄소 나노튜브(VACNT) 기반 필름 전극 개발이 활발히 진행되어 왔습니다. 수직 배열 메커니즘은 가스 확산층, 배수 용량 및 Pt 활용도를 향상시킵니다.
VACNT는 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 하나는 곡선형의 성긴 탄소 나노튜브로 구성된 VACNT이고, 다른 하나는 직선형의 조밀한 탄소 나노튜브로 구성된 VACNT입니다.
수직 탄소 나노튜브 기반 막 전극의 고전적인 제조 공정
Zhang et al.은 VACNTs/Nafion/VACNTs로 구성된 정렬된 막 전극을 개발했습니다. 이 전극의 성능은 기존의 Pt/C 막 전극보다 두 배 더 높습니다.
나피온 막 위의 VACNT의 SEM 형태
무라타 연구팀은 스테인리스강 기판 위에 곡선형의 드문드문 배열된 VACNT(백금 나노튜브)의 성장을 촉진했습니다. 성능을 유지하면서도 백금 함량은 미국 에너지부의 2020년 목표치에 근접합니다.
촉매막 기반의 정렬된 막 전극
촉매막의 규칙성은 주로 Pt 나노튜브와 Pt 나노와이어의 규칙적인 구조를 의미합니다. 그중에서도 규칙적인 구조를 갖는 촉매 막 전극의 대표적인 예는 3M의 상용 제품인 NSTF입니다. 기존의 Pt/C 촉매와 비교했을 때, NSTF는 다음과 같은 네 가지 주요 특징을 가지고 있습니다. 첫째, 촉매 담체는 규칙적인 유기 위스커입니다. 둘째, 촉매는 위스커 형태의 유기체 위에 Pt 기반 합금막을 형성합니다. 셋째, 촉매층에 탄소 지지체가 없습니다. 넷째, NSTF 촉매층의 두께는 1μm 미만입니다.
3M에서 제조한 NSTF 전극의 성능 매개변수는 아래 그림과 같습니다. 그림에서 볼 수 있듯이, NSTF 전극의 내구성이 미국 에너지부(DOE)의 기술 지표보다 낮은 것을 제외하면, 다른 성능 지표들은 DOE 목표값에 비교적 근접합니다.
양성자 전도체를 기반으로 하는 정렬된 막 전극
양성자 전도체 정렬 막 전극의 주요 기능은 촉매층에서 양성자의 효율적인 전달을 촉진하기 위해 나노와이어 형태의 고분자 소재를 도입하는 것입니다. Yu et al.은 티타늄 웨이퍼 위에 TiO2 나노튜브 어레이(TNT)의 TiO2/Ti 구조를 제작한 후, 수소 분위기에서 열처리하여 H-TNT를 제조하고, SnCl2 감광 및 치환법을 이용하여 H-TNT 표면에 Pt-Pd 입자를 형성했습니다. 이는 고출력 밀도 연료 전지에 적용될 수 있습니다.
칭화대학교 원자력연구소와 자동차학과는 나피온 나노와이어의 빠른 양성자 전도 기능을 기반으로 새로운 정렬 촉매층을 최초로 합성했습니다. 이 촉매층은 다음과 같은 특징을 갖습니다. 나피온 나노로드가 양성자 교환막 위에 현장 성장되어 계면 접촉 저항이 0으로 감소합니다. 나피온 나노로드 위에는 촉매 및 전자 전도 기능을 모두 갖는 Pt 입자 촉매층이 증착됩니다. 촉매층 내의 나피온 나노로드는 빠른 양성자 전도 기능을 수행합니다.
정렬된 막 전극은 차세대 막 전극 제조 기술의 핵심 방향임이 분명합니다. 백금족 원소 함량을 줄이는 동시에 다음 다섯 가지 사항을 추가적으로 고려해야 합니다. 정렬된 막 전극은 불순물에 매우 민감하므로, 재료 최적화, 특성 분석 및 모델링을 통해 막 전극의 작동 범위를 넓혀야 합니다. 촉매층에 고속 양성자 전도체 나노구조를 도입하고, 저비용 대량 생산 공정을 개발하며, 막 전극의 양성자 교환막, 전기 촉매 및 가스 확산층 간의 상호작용 및 시너지 효과에 대한 심층적인 연구가 필요합니다.
주문형 막 전극 촉매 코팅용 초음파 분무기
치어소닉은 연료전지 및 전해조의 막전극에 정밀한 촉매 증착을 위해 특별히 개발된 고정밀 촉매 코팅 장비 분야의 선도적인 전문 공급업체입니다. 첨단 초음파 분사 기술을 채택한 이 장비는 기존 촉매 코팅 공정의 문제점인 불균일한 코팅, 심각한 재료 낭비, 불안정한 성능 등을 효과적으로 해결하여 전기화학 장치 제조에 안정적이고 효율적인 코팅 솔루션을 제공합니다.
초음파 분무 시스템은 초고도의 코팅 정확도와 반복성을 제공하여 다양한 전극 및 멤브레인 기판에 안정적이고 일관된 촉매층 증착을 가능하게 합니다. 이는 촉매 잉크의 전사 효율을 크게 향상시켜 백금과 같은 고가의 귀금속 재료 낭비를 획기적으로 줄입니다. 또한, 코팅 출력 및 성형에 대한 유연한 매개변수 조정을 지원하여 촉매층 구조를 맞춤화하고 멤브레인 전극의 형태를 최적화하며 전반적인 서비스 내구성을 향상시킬 수 있습니다.
기존의 분무 방식과 달리 초음파 진동 원리를 이용하면 나노 촉매 입자의 균일한 분산 상태를 장기간 유지하고 코팅 과정에서 입자 재응집을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 이를 통해 제조업체는 낮은 투입량 조건에서도 촉매를 완전하고 균일하게 활성화할 수 있으며, 제품당 고가의 백금 소재 사용량을 크게 줄일 수 있습니다. 이 기술은 막 전극의 우수한 전기화학적 반응성과 작동 안정성을 유지하면서 제품 성능과 생산 비용을 동시에 최적화합니다.
초음파 연료 전지 코팅 영상
치어소닉 소개
치어소닉 은 마이크로일렉트로닉스/전자, 대체 에너지, 의료 및 산업 시장을 비롯하여 건설 및 자동차 분야의 특수 유리 응용 분야에 이르기까지 부품 및 구성 요소의 표면을 보호, 강화 또는 매끄럽게 하기 위해 정밀한 박막 코팅을 적용하는 초음파 코팅 시스템의 선도적인 개발 및 제조업체입니다.
당사의 코팅 솔루션은 환경 친화적이고 효율적이며 신뢰성이 매우 높습니다. 이를 통해 과도한 분사를 획기적으로 줄이고 원자재, 물 및 에너지 사용량을 절감할 뿐만 아니라 공정 반복성, 전송 효율, 높은 균일성 및 배출량 감소를 실현할 수 있습니다.
