기본적으로 연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 장치입니다. 추가 충전이 필요하지 않습니다. 연료와 산화제가 지속적으로 보충되는 한 계속 작동하고 전기를 생성할 수 있습니다. 보충된 연료와 산화제는 연소 반응을 거치지 않고 연료와 산화제 사이의 전기화학 반응을 거쳐 전류를 생성합니다.
따라서 이러한 전기화학 반응은 화학 반응으로 인한 전하 이동을 수반합니다. 전자와 이온은 서로 다른 반응 경로를 통해 전하 이동을 완료합니다. 연료 전지의 반응 과정에서 연료와 산화제는 혼합될 수 없지만 연료 전지에 별도로 들어가 배터리의 양극과 음극에서 개별적으로 반응합니다.
연료는 전기화학 반응 후 전자를 생성합니다. 전자는 전극과 외부 회로를 통해 다른 전극으로 흘러 산화제와 반응합니다. 산화제가 전자를 받은 후, 반응하여 배터리의 전해질을 통해 이온을 전도하여 전자 작동을 위한 회로를 형성합니다.
일반 연료 전지의 핵심 단위는 세 가지 기본 구성 요소로 구성됩니다. 양극, 음극 및 두 전극 사이의 전해질입니다. 일반적으로 수소는 연료로 사용되고 산소는 산화제로 사용됩니다. 연료는 양극에서 산화되고 산소는 음극에서 환원됩니다. 연료 전지는 이러한 핵심 단위로 직렬로 연결되어 더 큰 전력 배터리 팩을 형성하거나 배터리 스택이라고 합니다.
일반적으로 산화제는 공기 중의 산소일 수 있으며, 연료로 사용되는 수소 이온과 전자는 양극에서 나오고 전해질은 수소 이온을 전도합니다. 수소 이온이 양극에서 생성된 후 전해질을 통해 음극에 도달합니다. 전자가 양극에서 생성된 후 배터리 외부 회로를 통해 사용된 전기 항목에 들어간 다음 전기 회로의 다른 쪽 끝을 통해 배터리의 음극으로 돌아갑니다. 전자가 부하된 전기 제품을 통과할 때 전기 제품은 발전, 자동차, 항공기 및 모터 작동과 같이 작동할 수 있습니다.
애노드와 캐소드 사이에는 이온을 전도하는 데 사용할 수 있는 전해질이 있습니다. 일반적으로 연료 전지는 전해질에서 전도되는 이온이 다르거나 작동 온도가 다르기 때문에 알칼리 연료 전지, 인산 연료 전지, 탄산염 용융염 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지, 양성자 교환 막 연료 전지, 직접 연료 전지로 분류할 수 있습니다. 메탄올 연료 전지를 포함한 6가지 유형입니다.
연료 전지에서 연료와 산화제의 전기화학적 반응 속도는 매우 낮고 촉매에 의해 가속되어야 하므로 애노드 촉매와 캐소드 촉매가 필요합니다. 고분자 전해질 연료 전지를 예로 들면, 주요 발전 메커니즘은 종종 연료 전지의 심장이라고 불리는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)에서 나옵니다. 기본적으로 전극 멤브레인 그룹은 5층 구조를 가지고 있으며, 중앙에 수소 이온을 전도하는 폴리머 멤브레인, 양쪽에 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층, 그리고 가장 바깥쪽의 가스 확산층(종종 연료 가스 확산층과 산소 확산층으로 나뉩니다)이 있습니다.
촉매층의 구조는 매우 복잡하고 다양하다. 가장 중요한 전기화학적 변화가 여기에서 일어나기 때문에 촉매층이 제대로 설계되거나 제조되지 않으면 연료 전지는 충분한 전류를 생성할 수 없고 효율이 떨어진다. 촉매층은 폴리머 막과 가스 확산층 사이에 샌드위치된다. 제조 방법은 적절한 양의 촉매와 폴리머 막 용액을 균일하게 혼합하는 것이다. 이 혼합 용액을 촉매 슬러리라고 한다. 혼합 슬러리는 가스 확산층이나 폴리머 막에 코팅할 수 있다. 그러나 폴리머 막은 혼합 슬러리의 용매를 쉽게 흡수하여 변형되기 때문에 종종 제조에 어려움을 겪는다.
이제 산소 촉매층을 사용하여 반응이 어떻게 진행되는지 설명하겠습니다. 산소가 연료 전지에 들어가면 촉매층에 고르게 도달하기 위해 먼저 분산되어야 합니다. 일반적으로 가스 확산층을 구성하는 재료는 탄소 천이나 탄소 종이이며, 고온에서 흑연화하여 전도성을 높이고 내식성을 높여야 합니다. 탄소 재료는 전기장의 영향으로 쉽게 부식되기 때문입니다.
또한 가스 확산층은 소수성이어야 합니다. 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 테프론이라고도 함)을 가스 확산층에 첨가하면 테프론의 소수성으로 인해 전극 멤브레인 그룹으로 들어오고 나가는 수증기가 가스 확산층에서 응축되어 응축된 물방울이 가스 확산층을 막는 것을 방지할 수 있습니다. 반면 테프론은 바인더 역할도 합니다. 플루오로카본 구조의 안정성으로 인해 잠재적 작동 시 생성된 자유 라디칼의 공격으로 인해 분해되지 않습니다.
반응 가스는 가스 확산층을 통과한 후 촉매층에 도달하고, 촉매 금속 표면에서 전기화학 반응이 발생합니다. 가스 확산층의 또 다른 기능은 전자를 전도하는 것입니다. 반응에 필요한 전자는 가스 확산층을 사용하여 출입하므로 가스 확산층은 전자를 전도할 수 있어야 하며 높은 전도도를 가져야 합니다. 일반적으로 가스 확산층에 테프론을 첨가한 후 전도도가 감소하므로 높은 전도도를 가진 탄소 분말을 첨가하여 전도도를 높여야 합니다.
촉매 표면은 전해질(즉, 양성자 전도성 막)과 접촉해야 하는데, 그 이유는 전기화학 반응이 두 가지 사이의 계면에서 일어나기 때문이다. 반응에 필요한 수소 이온은 모두 전해질에 의해 전달되므로 촉매와 전해질 사이의 접촉이 좋지 않으면 반응의 진행에 부정적인 영향을 미친다. 촉매가 전해질과 접촉하지 않으면 그 기능이 사라진다. 반응에 필요한 전자는 모두 촉매를 통해 출입한다. 그러나 촉매 자체의 전도도가 나쁘거나 촉매 입자 사이의 접촉이 좋지 않으면 전자의 출입에 저항이 생긴다. 위의 요인들은 모두 전극 막 그룹 내의 저항을 증가시키고 배터리의 출력을 감소시킨다.
연료 전지에 사용될 때 전극 촉매는 일반적으로 높은 촉매 활성, 높은 전도도, 높은 전기화학적 안정성, 산화 또는 환원에 대한 저항성, 낮은 가격 및 풍부한 공급원을 가져야 합니다. 백금은 비싸므로 가능한 한 적게 사용해야 합니다. 그러나 너무 적으면 반응 진행에 영향을 미칩니다. 대체 촉매 물질도 현재 연구 및 개발의 초점 중 하나입니다. 전극 촉매는 전극 막 구조에서 가장 중요한 기능성 물질이며, 주요 기능은 전기화학 반응을 촉매하는 것입니다.
양극에서 수소 분자는 전자와 양성자로 산화됩니다. 메탄올을 직접 공급하면 반응이 더 복잡해지고 반응 표면에 메탄올 산화 반응의 강하게 흡착된 생성물이 차지하지 않는 전극 촉매로 구성되어야 합니다. 예를 들어 합금 및 산화물은 메탄올과 물 분자를 지속적으로 촉매하여 전자, 양성자 및 이산화탄소를 생성합니다.
양극은 산소를 환원시킬 수 있는 촉매가 필요합니다. 산소 분자를 흡착할 수 있는 거대 고리 금속 착물은 일반적으로 전극 촉매로 사용됩니다. 산소 분자의 표면 흡착은 산소 환원 전기 화학 반응의 촉매 조건입니다. 촉매는 촉매층에 결합될 폴리머 바인더가 필요합니다. 이 바인더는 또한 폴리머 전해질이 될 수 있으며, 이는 촉매를 결합하는 기능을 가질 뿐만 아니라 수소 이온을 전달하는 방법이기도 합니다. 산소 양극을 예로 들면, 촉매 표면에서 반응이 진행될 때 산소의 존재가 필요합니다. 이 산소는 가스가 아니라 전해질에 용해된 산소이며, 수소 이온도 전해질을 통해 촉매 표면에 도달하고 전자는 가스 확산층과 촉매층 사이의 접촉을 통해 촉매 표면에 도달합니다. 그 중에서도 용해된 산소, 수소 이온 및 전자는 필수적이며, 그 중 하나가 없으면 반응이 진행될 수 없습니다.
반면, 반응으로 생성된 물은 촉매 표면에 머물 수 없습니다. 생성된 물은 반응물이 다시 촉매 표면에 침전될 수 있는 공간을 마련하기 위해 즉시 제거해야 합니다. 생성물의 이탈도 반응 속도에 영향을 미치는 요인 중 하나입니다. 1. 연료 전지의 생성물은 물이므로 연료 전지에서 물을 빠르게 제거하는 방법이 중요한 문제입니다.
수소를 공급원으로 사용하는 고분자 전해질 연료 전지의 경우, 우수한 연료 전지 작동의 핵심은 수소 이온 채널, 용존 산소 채널, 전자 채널, 물 채널의 네 가지 경로가 있어야 합니다. 이러한 경로가 효과적이지 않으면 전력 생성 효율이 저하됩니다. 따라서 전극 막 스택의 제조는 여전히 기술적 프로세스입니다. 각 연료 전지 스택 제조업체는 이 핵심 구성 요소를 생산하기 위한 고유한 제조 방법을 가지고 있습니다.
연료 전지의 전력은 전극 막 그룹의 크기와 배터리 팩의 전극 막 그룹 수에 따라 결정됩니다. 전극 막 스택은 폴리머 전해질 연료 전지의 핵심 단위이며 연료 전지 스택의 전력 성능의 핵심 구성 요소입니다. 적절한 유동장 설계, 수질 관리 및 열 관리 작동 조건을 통해 다양한 용도의 연료 전지를 형성할 수 있습니다.
가스 확산층 기술 설명
양성자 교환막 연료 전지의 기체 확산층 구조의 기본 재료는 일반적으로 탄소 섬유(Carbon-Fiber) 제품, 즉 탄소 종이(Carbon Paper) 및 직조 섬유(Woven Fiber) 또는 탄소 천(Carbon Cloths)이라고도 하며, 탄소 섬유를 기체 확산층으로 사용합니다. 확산층 재료의 장점은 높은 다공성 구조와 높은 전기 전도도입니다.
가장 일반적으로 사용되는 연료 전지 가스 확산층 구조는 탄소 섬유 종이입니다. 이 공정은 일반적으로 제지 공정이라고 합니다. 이 공정 중에 탄소 종이의 원료 특성, 전도도 및 화학적 안정성도 개선해야 합니다. 이 방법은 탄소 섬유 종이를 기초로 사용하고 탄소 복합 재료를 추가하고 혼합하고 열처리하는 것입니다. 이 공정에서 적절한 중간 원료도 추가하고 사용된 특성을 가진 동일한 탄소 종이를 개발할 수 있습니다.
탄소지의 제지 단계 전에 연속 필라멘트 섬유를 3~12mm 사이의 짧은 섬유 세그먼트로 절단해야 합니다. 짧은 섬유 세그먼트를 형성한 후의 공정은 1. 제지, 2. 복합 수지 함침, 3. 열 프레스 성형, 4. 탄화 처리 및 5. 흑연화 처리로 나뉩니다.
현재 연료 전지 가스 확산층에 사용할 수 있는 탄소지 제조업체로는 TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy 등이 있습니다. 미세다공성 층(MPL)의 일반적인 생산 방법은 먼저 초음파 발진기를 사용하여 이러한 성분을 혼합하고 교반한 다음, 마지막으로 액체 슬러리(잉크)를 만든 다음 코팅 기술(예: 분무법, 닥터 블레이드법, 스크린 인쇄법)을 사용하는 것입니다. 슬러리를 탄소지 표면에 코팅한 다음 고온 소결을 통해 미세다공성 층을 얻을 수 있습니다. 탄소지 제조업체는 또한 미세다공성 층으로 코팅된 완전한 제품을 고객에게 제공합니다. 가스 확산층(GDL)은 연료 전지에서 다음과 같은 많은 역할과 기능을 수행합니다.
(1) 반응가스(H2, O2) 채널 제공
(2) 반응생성물(물, 열)이 촉매층에서 빠져나갈 수 있는 통로를 제공한다.
(3) 전기화학 반응 전자의 진입 및 출구 채널 제공
(4) 촉매층 및 양성자 교환막 본체의 구조적 지지체 역할
위의 특성에서 가스 확산층(GDL)은 전기 전도성, 열 전도성, 다공성, 공기 투과성, 친수성/소수성 특성과 같은 특성을 동시에 가져야 함을 알 수 있습니다. 현재 전 세계에서 연료 전지 가스 확산층을 위한 유일한 재료 공급업체는 Toray, Ballard, Avcarb, SGL, Taiwan Carbon Energy입니다. 그러나 단가가 매우 높고 수요가 종종 부족합니다. 따라서 혁신적인 기술이 있다면 비용을 절감하고 경제적 결과를 얻을 수 있습니다. 이 핵심 재료를 대량으로 생산하는 것은 이 기술에 투자할 가치가 있습니다.
가스 확산층은 PEMFC의 핵심 구성 요소이며, 가스 확산층은 전극의 중요한 구성 재료입니다. 일반적으로 사용되는 가스 확산층 재료에는 탄소 섬유 종이, 탄소 섬유 직물, 부직포 및 카본 블랙 종이가 있습니다. 그러나 일부는 평평한 금속 스펀지-메시 금속 니켈과 같은 금속 재료도 사용합니다.
탄소섬유지는 전극에 널리 사용되는 가스 확산층 소재입니다. PEMFC에 사용하려면 다음 성능 요구 사항을 충족해야 합니다.
(1) 균일한 다공성 구조로 통기성이 우수하다.
(2) 낮은 저항률로 높은 전자 전도도를 제공합니다.
(3) 구조가 치밀하고 표면이 평탄하여 접촉저항이 감소하고 전도성능이 향상된다.
(4) 일정한 기계적 강도를 갖고 있어 전극 생산에 편리하며 장기 작동 조건에서 전극 구조의 안정성을 제공합니다.
(5) 화학적 안정성, 열 안정성을 갖고 있으며 제조비용이 낮고 CP가치가 높습니다.