양성자 교환 연료 전지(PEMFC)
저온 연료전지로 떠오르는 고효율, 낮은 작동 온도, 무공해라는 장점을 가진 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)는 새로운 친환경 에너지의 주요 발전 방향 중 하나입니다.
PEMFC의 핵심 구성 요소는 두 개의 가스 확산층(GDL), 두 개의 촉매층, 양성자 교환막으로 구성된 막 전극 어셈블리(MEA)입니다.
PEMFC 연료 전지의 반응 원리는 그림 1에 나와 있습니다. PEMFC 단일 셀은 EMA(양극, 음극 및 양성자 교환막)와 양극판으로 구성됩니다. 양극은 수소 연료의 산화가 일어나는 곳이고 음극은 산화 환원이 일어나는 곳입니다. 양 극에는 전극의 전기화학 반응을 가속화하는 촉매가 포함되어 있으며, 일반적으로 백금/탄소 또는 백금/루테늄이 전기 촉매로 사용됩니다. 양성자 교환막은 전해질 역할을 하고, 수소 또는 정제된 개질 가스는 연료, 공기 또는 순수한 산소는 산화제, 가스 흐름 채널이 있는 흑연 또는 표면 개질 금속판은 양극판 역할을 합니다. 일정한 습도와 압력을 가진 수소와 산소는 각각 양극과 음극으로 들어가 가스 확산층(그림의 탄소 종이)을 통해 촉매층과 양성자 교환막 사이의 계면에 도달하여 촉매의 작용에 의해 산화 및 환원 반응이 일어납니다.
양극: H2 → 2H+ + 2e-
음극: ½ O2 + 2H+ +2e- → H2O
전체 배터리 반응: H2 + ½ O2 → H2O
양극에서 수소 가스는 전기화학적으로 반응하여 수소 이온과 전자를 형성합니다. 수소 이온은 양성자 교환막을 통해 음극으로 전도되고(양성자 교환막의 고유한 특성으로 인해 수소 이온만 통과 가능) 전자는 외부 회로를 통해 음극에 도달하여 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물을 형성합니다. 생성된 물은 음극 배출구에서 과잉 산소와 함께 수증기 또는 응축수 형태로 배출됩니다.
가스 확산층(GDL)
가스 확산층(GDL)은 연료전지의 중요한 구성 요소 중 하나인 막 전극의 양쪽 끝에 위치하며 양성자 교환막 지지, 촉매 코팅, 막 전극과 양극판 연결 등의 역할을 합니다.
GDL 소재는 성능 측면에서 다음과 같은 사항을 갖춰야 합니다:
- GDL은 양극판과 촉매층 사이에 있기 때문에 전기화학 반응(즉, 전류 밀도)이 매우 높고 갈바닉 부식이 심하므로 GDL 소재는 내식성을 가져야 합니다.
- 수소/산소 또는 메탄올/공기가 촉매층 반응( medium )으로 확산되는 GDL 소재는 다공성, 통기성 소재여야 합니다.
- GDL 소재는 전류 도체 역할을 하며 전도성이 높은 소재여야 합니다.
- 배터리 반응은 발열 반응이므로 GDL 소재는 열전도율이 높은 소재여야 하며 양성자 교환막 파손으로 인한 국소 과열을 방지하기 위해 열 방출이 적시에 이루어져야 합니다.
- 배터리 반응에 의해 생성된 물로 인한 촉매층 손상을 방지하기 위해 GDL 소재는 높은 소수성을 가져야 합니다
탄소 섬유 종이
탄소섬유 종이(카본 페이퍼라고도 함)는 단단 탄소섬유를 원료로 하여 제조되며, 미세한 섬유 다공성 구조를 가지고 있어 가스 및 물 전도를 위한 효과적인 채널을 구축할 수 있습니다. 동시에 탄소 종이는 가벼운 무게, 평평한 표면, 내식성 및 균일한 다공성의 장점을 가지고 있습니다. 또한 탄소 종이의 고강도는 PEMFC 배터리의 설치 및 사용을 보호하고 전극 구조를 안정화하며 배터리 수명을 향상시킬 수 있습니다. 탄소 종이 제조 공정은 안정된 성능으로 성숙되어 있으므로 탄소 종이는 멤브레인 전극의 가스 확산 층 재료의 주류 선택이되었습니다. 가스 확산층으로 카본 페이퍼를 사용한 멤브레인 전극은 그림 1에 나와 있습니다. 탄소 종이의 제조 공정에서 섬유 방향 배열로 인해 탄소 종이 자체는 다양한 이방성을 가지고 있습니다.
열전도도가 GDL 소재의 중요한 지표 중 하나라는 점을 감안하여 본 연구에서는 NETZSCH LFA HyperFlash®®를 통해 탄소 종이 샘플에 대한 열전도도 테스트를 수행했습니다. 이 테스트에서는 LFA 467을 사용하여 카본 페이퍼 샘플의 열 확산성을 수평 및 수직 방향으로 각각 테스트하고 DSC를 사용하여 카본 페이퍼 샘플의 비열 용량을 테스트했습니다. 시료의 열전도도는 시료의 열확산도, 비열용량 및 밀도(실온에서)를 곱하여 얻었습니다.
애플리케이션
표 1은 이 탄소 종이 샘플에 대한 수평 방향 열전도도 테스트 결과를 보여줍니다(그림 2). 이 테스트에 사용된 지지대는 수평 방향에서 열전도율이 높은 박막 재료의 열확산도를 테스트하는 데 사용할 수 있는 평면 내 시료 홀더(그림 3)입니다. 25°C와 100°C에서 샘플의 수평 방향 열 확산도는 각각 58.610mm2/s와 50.122mm2/s이며 열 전도성은 각각 20.568W/(m*K) 및 21.794W/(m*K)임을 알 수 있습니다.
그림 4는 테스트된 온도 상승 곡선을 보여 주며, 테스트 곡선(원시 신호 - 파란색)과 적합 곡선(모델 평가 - 빨간색)이 매우 잘 일치하는 것을 볼 수 있습니다.
표 2는 이 탄소 종이 샘플에 대한 수직 방향의 열전도도 테스트 결과를 보여줍니다.
이 테스트에 사용된 지지대는 박막 시료의 수직 방향 열 확산성을 테스트하는 데 사용할 수 있는 호일 시료 홀더(그림 5)였습니다. 그 결과, 샘플의 수직 방향 열 확산도는 25°C와 100°C에서 각각 7.463mm2/s와 6.408mm2/s이며 열 전도성은 각각 2.619W/(m*K) 및 2.786W/(m*K)라는 것을 알 수 있습니다. 샘플의 수평 방향 열전도도는 수직 방향 열전도도보다 훨씬 높으며 개별 이방성이 뚜렷합니다. 샘플은 다공성 섬유 구조를 가지고 있기 때문에 수직 방향으로 테스트할 때 어느 정도의 빛 투과가 있습니다.
요약
양성자 교환막 연료 전지에서 기체 확산층은 막 전극의 중요한 구성 요소로, 그 비용은 일반적으로 막 전극 비용의 20~25%를 차지합니다.
업계 분석에 따르면 2024년까지 전 세계 가스 확산층 재료의 시장 규모는 33억 4,000만 달러에 달할 것으로 예측됩니다. 가스 확산층에 선호되는 재료인 탄소 종이는 중국의 산업 발전에서 매우 유망한 미래를 가지고 있습니다. 열전도도는 탄소 종이의 중요한 지표 중 하나입니다. NETZSCH 플래시 열전도도 분석기 LFA 467과 평면 내 홀더 및 호일 샘플 홀더를 사용하면 탄소 종이 샘플의 수평 및 수직 방향 열전도도를 정확하고 편리하게 테스트할 수 있습니다.