연료전지 종류별 특징 ii pemfc 핵심소재 및 응용 -...

연료전지 종류별 특징 II – PEMFC 핵심소재 및 응용

5주차

대구가톨릭대학교 에너지신소재공학과

한윤수

■ 과목명: 연료전지이론

목 차

1. PEMFC 핵심소재

2. PEMFC 응용분야

4 연료전지이론

전해질

○ 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane)

▶ 역할: 수소이온의 이동통로, 전자이동 차단, 연료(수소)와 산소 분리

- 높은 이온 전도성, 낮은 기체 투과도

- 열적 안정성 및 치수안정성, 우수한 기계적 강도

- 산화, 환원, 수화 등에 대한 우수한 내구성

▶ 소재: perfluorosulfonic acid (퍼플루오로 술폰산)

- 듀폰에서 개발한 Nafion을 사용

- 불소수지의 주사슬(main chain)이 모인 골격영역(소수성)과,

술폰산기의 부사슬(side chain)이 모인 이온클러스터 영역(친수성)으로 구성

⇒ 이온 클러스터의 크기는 약 30~50Å 정도

⇒ 물이 존재하고 있으며, 산화반응으로 생성된 proton을 산화전극에서

환원전극으로 이동시키는 역할



전해질

○ 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane) (계속)

▶ 소재: perfluorosulfonic acid (퍼플루오로 술폰산) (계속)

- 불소원자가 탄소원자 주변을 갑옷처름 보호하고 있어서 화학적으로 안정

- tetrafluoroethylene(4불소화에틸렌)과 술폰산용 모노머를 공중합시켜

이온교환폴리머 전구체를 얻고, 이를 이용하여 분리막으로 성형하고

가수분해하여 말단의 -SO3F를 -SO3H로 전환

▶ 주요특징

- 고분자 전해질 막 내부는 적정 수분유지가 중요

⇒ 과수분 : flooding 현상 → 반응 속도 저하

∙ flooding 현상: 공기극에서 생성된 물이 공기극에 고여서 전극의 미세

기공을 막아버리는 현상

⇒ 저수분 : 수소 이온 전도도 감소, 막 수축 → 반응 속도 저하



m

※ x = 5~13.5 y = 1,000 m ≥ 1

※ 출처: 혼마 타쿠야 감수, 이인숙 옮김, “그림으로 보는 연료전지“, p.115, 교보문고(2007).

▶ 고분자전해질 구조

전해질 1. PEMFC 핵심소재


※ 출처: 이석현, “고분자전해질연료전지 금속분리판용 스테인레스강의 전기전도도 및 부식저항성에 미치는 표면개질 효과“, KAIST 박사학위 논문, p.21 (2010).

▶ 고분자전해질 막의 미세 구조 및 이온전도

※ 출처: 혼마 타쿠야 감수, 이인숙 옮김, “그림으로 보는 연료전지“, p.45 & p.116, 교보문고(2007).




▶ 고분자전해질 합성



○ 촉매층 (catalytic layer)

▶ 역할: 산화, 환원반응의 촉매역할 ▶ 구성요소 - 카본담지 백금촉매(carbon supported Pt catalyst): Pt 입자를 carbon black(20~40nm)에 담지하여 사용 ⇒ Pt의 표면적을 키우기 위해 미립자(1~5nm) 사용하며, 이를 고정시키면서 전자의 이동통로 역할을 할 수 있는 carbon black(전도성)에 담지시킴 ⇒ 산화전극의 경우 CO(수소 연료에 포함된 불순물)에 의한 피독을 막기 위해 Pt-Ru(50:50) 합금

촉매를 다공성 탄소전극에 담지시켜 사용

∙ 피독작용: 촉매의 역할을 하는 물질이 다른 이물질에 가로막혀(주로 막의 형태로 둘러쌈)

촉매의 역할을 수행할 수 없게 되는 현상

∙ PEMFC에서는 CO가 Pt주변에 막을 형성(그림 참조)

∙ Pt-Ru(50:50) 합금의 Ru의 존재에 의해 CO를 산화시킴: Pt-CO + H2O Pt + CO2 + 2H+ + 2e -

⇒ 환원전극은 Pt 촉매만 다공성 탄소전극에 담지시켜 사용

- 결합체(PTFE or Nafion): 카본담지 백금촉매를 붙들어 주는 역할 (고분자바인더) ▶ 주요 특징 - 물질전달 저항 최소 위해 두께가 얇고 균일해야 함 - 산소 환원 반응이 수소 산화반응 보다 느리므로 cathode의 촉매량이 더 많음 Polytetrafluoroethylene

(PTFE)

촉매 1. PEMFC 핵심소재


고분자 전해질(Nafion)

Carbon black

Pt (or Pt-Ru 합금)

Carbon Cloth

결합체


▶ 카본담지 백금 촉매



▶ 산화전극에서의 Pt-Ru의 역할

산성조건하에서 Pt 촉

매에 의해 O2 분자는

O-O 결합분열을 거쳐,

4개 전자에 의해 환원되

어 H2O를 생성

▶ 환원전극에서의 Pt의 역할


O2

O2

H2O

H2O

CO2



○ 가스확산층(gas diffusion layer)

▶ 역할: 촉매층 지지, 기체확산, 집전체, 생성수 배출, 열 배출 - MEA를 기계적으로 지지함

- 반응 기체가 촉매층으로 이동해 가는 통로 제공

- 촉매층과 분리판을 전기적으로 연결, 전자가 흐르는 통로 제공

- 생성된 수분이 촉매층으로 부터 빠져 나가는 통로 제공

- 전기화학 반응에 의해 발생한 열을 분리막으로 전달(전도)하여 열 제거

▶ 소재 - 가스투과성과 도전성이 우수한 carbon paper 혹은 carbon cloth ▶ 주요특징 - 두께는 100~300 ㎛ 이며, 밀도는 0.21~0.73 g/cm2, 세공율(porosity)은 70~80% 임

가스확산층 1. PEMFC 핵심소재


○ Bipolar plate(분리막)

▶ bipolar plate의 역할 - 연료(수소)와 공기(산소)의 공급 및 이동통로로서 - 셀간의 연료와 공기의 분리 - 미반응 가스 배출을 위한 가스매니폴드(gas manifold) 역할 - 반응생성물(물)의 배출통로 - 전극반응의 열을 제거하기 위한 냉각제의 분배 - 전극반응에서 생성된 전기를 모으고 셀(cell) 간의 전기적 연결 - 연료전지 구조의 지지체 ▶ 소재 - 흑연(graphite), 탄소복합체(탄소+수지), 금속(스테인레스, 알루미늄) ⇒ 흑연: 가공비가 과다 하고 양산성이 낮아 상용화 단계에서는 적용이 어려움 ⇒ 탄소복합체: 우수한 화학적 안정성으로 인해 수명이 길고, 작동 환경에서의 내구성이 우수하여 주로 건물용 연료전지에 적용 ⇒ 금속: 부식에 의한 촉매 오염이나 계면 전기저항 증대의 단점이 있음에도 경박단소와 양산성의 장점이 크므로 자동차용 등 주로 이동형 연료전지용으로 적용

Molded bipolar plate by 한국타이어

분리막 1. PEMFC 핵심소재


▶ 스택내 분리막의 배치방법 - 분리막은 연료(수소), 공기(산소) 및 냉각수가 흐를 수 있는 통로가 필요함 - 1장의 분리막으로는 3종류의 통로를 제공할 수 없으므로 2장의 분리막을 접합하여, 접합된 분리막의 앞뒤 공간과 접합분리막 사이의 공간을 이용함 - 가정용 1kW급 PEMFC의 경우 MEA가 약 80장, 분리막이 약 150장 소요

※ 출처: 한인수, “PEMFC 연료전지 셀스택의 최적 설계”, GS칼텍스주식회사 발표자료.


분리막 1. PEMFC 핵심소재


PEMFC 스택의 구성재료별 가격 비중

6%

○ PEMFC 스택의 가격구조

※ 출처: 이석현, “고분자전해질연료전지 금속분리판용 스테인레스강의 전기전도도 및 부식저항성에 미치는 표면개질 효과“, KAIST 박사학위 논문, p.29 (2010).

가격구조 1. PEMFC 핵심소재



○ 100 kW급 연료전지 시스템 기술 적용 범위


PEMFC

○ PEMFC의 자동차 응용 (I)



PEMFC

○ PEMFC의 자동차 응용 (II)


감사합니다.

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