Pt 함량에 따른 초음파 분무 MEA의 열압착
Pt 함량에 따른 PEM 연료전지용 초음파 분무 막 전극의 열압착 효과
청정하고 저탄소 신에너지원인 수소 에너지는 전 세계 에너지 전환에 중요한 역할을 하고 있습니다. 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 수소 에너지 활용의 핵심 장치 중 하나로, 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하여 높은 에너지 효율, 무공해, 저소음 등의 장점을 제공하므로 운송, 분산 발전 등 다양한 분야에 널리 적용되고 있습니다. 막 전극 어셈블리(MEA)는 이러한 연료전지의 핵심 부품으로, 셀 내부에서 전기화학 반응, 기체 및 전하 이동이 모두 일어나는 곳입니다. MEA의 제조 공정은 셀의 출력 성능과 수명을 직접적으로 결정합니다.
현재 MEA 제조의 주류 방법은 촉매 코팅 막(CCM)을 사용하는 것입니다. 이 방법은 초음파 분무와 같은 방법을 이용하여 양성자 교환막 표면에 촉매 코팅을 균일하게 부착하는 것입니다. 초음파 스프레이는 균일한 코팅, 높은 원료 이용률, 우수한 재현성 등의 장점으로 고성능 전극 제조에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 스프레이 후 이어지는 열압착 공정 또한 매우 중요합니다. 열압착은 전극을 고온의 플레이트 사이에 놓고 설정된 온도, 압력, 시간 조건 하에서 가압하는 공정입니다. 이는 층간 계면 결합을 강화하고, 접촉 저항을 감소시키며, 내부 물질 전달 채널을 최적화하기 위한 것입니다. 하지만 열압착의 실제 효과에 대해서는 업계 내에서 여전히 논란이 있습니다. 일부 연구에서는 적절한 열압착이 배터리 성능을 향상시킨다고 주장하는 반면, 다른 연구에서는 부적절한 열압착이 전극 구조를 손상시켜 성능 저하를 초래할 수 있다고 보고하고 있습니다. 특히 백금 함량을 낮추는 것이 연료전지 비용 절감 및 상용화의 핵심 요소로 대두되고 있는 현 상황에서, 백금 함량이 다른 전극에 대한 열압착의 영향에 대한 체계적인 연구는 부족한 실정입니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구진은 일반적인 백금 함량을 가진 전극과 백금 함량이 낮은 전극, 두 가지 대표적인 전극을 대상으로 비교 실험을 수행했습니다. 실험에서는 열압착의 세 가지 주요 변수인 압력, 온도, 시간에 따른 변화를 종합적으로 분석했습니다. 또한 전극 미세구조와 전기화학적 성능의 변화를 분석하여 열압착 효과가 전극의 백금 함량과 밀접한 관련이 있으며, 두 변수 사이에 명확한 임계점이 존재함을 밝혀냈습니다.
일반적인 백금 함량을 가진 막 전극의 경우, 적절한 열압착 조건을 적용하면 상당한 성능 향상을 기대할 수 있습니다. 적절한 압력은 계면을 치밀하게 하고, 옴 저항과 물질 전달 저항을 감소시킵니다. 열압착 온도가 양성자 교환막의 유리전이온도를 초과할 경우, 촉매의 유효 반응 면적이 40% 이상 증가할 수 있습니다. 실험을 통해 최적의 열압착 변수 조합을 도출했으며, 이 조건에서 배터리의 최대 전력 밀도를 12% 이상 향상시킬 수 있었습니다. 단, 열압착 시간은 엄격하게 제어해야 합니다. 가압 시간이 10분에 도달하면 전극 내부의 이온성 고분자가 열분해되어 양성자 전달 채널이 막히고 배터리 성능이 크게 저하됩니다.
기존 전극과 달리 백금 함량이 낮은 전극은 고온 가압에 전혀 적합하지 않습니다. 이러한 전극의 촉매 코팅은 더 얇고 다공성 구조를 가지고 있습니다. 외부 힘과 고온이 동시에 작용하면 코팅 내부의 기공이 쉽게 붕괴됩니다. 기공 구조가 손상되면 반응 가스가 촉매 활성 부위로 원활하게 이동할 수 없게 되어 촉매 이용률이 감소합니다. 사용되는 고온 가압 조건과 관계없이 전체 배터리 성능은 결국 저하됩니다.
여러 차례의 단계적 실험을 통해 고온 가압 효과가 변하는 임계 백금 함량은 0.24 mg·cm⁻²로 계산되었습니다. 전극의 백금 함량이 이 값보다 높으면 적절한 고온 가압을 통해 구조를 최적화하고 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이 값 이하에서는 열압착이 부정적인 영향만 미칩니다. 이러한 결론은 이전 연구에서 나타난 상반된 견해의 원인을 명확히 합니다. 즉, 각 실험에서 전극의 백금 함량이 달랐기 때문에 열압착이 “유익한지” 또는 “유해한지”에 대한 결과가 서로 다르게 나타난 것입니다.
본 연구는 열압착 공정의 적용 범위를 명확히 하여 연료전지 양산에 실질적인 공정 지침을 제공합니다. 기존의 고함량 백금 전극을 생산할 때는 적절한 온도와 압력 조건에서 단시간 열압착을 수행하여 공정의 장점을 최대한 활용할 수 있습니다. 그러나 저비용, 경량의 저함량 백금 전극 제품의 경우, 전극의 원래 다공성 구조를 보호하기 위해 열압착 공정을 완전히 제거해야 합니다.
현재 연료전지 산업화의 핵심 방향은 비용 절감과 효율 향상입니다. 본 연구는 막 전극의 초음파 분무 공정과 후속 열압착 공정 간의 호환성을 확립하여, 기존 공정의 장점을 유지하면서 공정 오용으로 인한 손실을 방지합니다. 향후 이러한 공정 지침을 바탕으로 전체 전극 제조 공정을 더욱 최적화할 수 있으며, 이를 통해 저비용 고수명 양성자 교환막 연료전지의 대규모 적용을 더욱 신속하게 추진하고 수소 에너지 산업 발전을 위한 견고한 기술적 기반을 마련할 수 있을 것입니다.
치어소닉 소개
Cheersonic은 마이크로전자공학/전자공학, 대체 에너지, 의료 및 산업 시장을 위한 부품 및 구성 요소의 표면을 보호, 강화 또는 매끄럽게 하기 위해 정밀한 박막 코팅을 적용하기 위한 초음파 코팅 시스템의 선도적인 개발 및 제조업체입니다. 자동차.
당사의 코팅 솔루션은 환경 친화적이고 효율적이며 신뢰성이 높으며 과다 분무, 원료, 물 및 에너지 사용을 크게 줄이고 공정 반복성, 전달 효율성, 높은 균일성 및 배출량 감소를 제공합니다.
