연료전지 막 및 소재

실험실 환경에서 대체 에너지원으로 사용되는 수소 연료 전지를 보여주는 이미지

지속 가능한 재생 에너지원인 연료전지는 수소가 풍부한 연료와 산소 사이의 역전기분해 반응을 통해 전기 에너지를 생성합니다. 연료 전지는 기존 연소 엔진에 비해 효율이 높고 배기가스 배출량이 적으며, 열과 물만 배출하는 경우가 많습니다. 이 깨끗하고 효율적인 전기 에너지원은 발전소 애플리케이션을 위해 확장하거나 운송 또는 휴대용 전력 애플리케이션을 위해 축소할 수 있습니다. 현재 연구는 이온 교환막 전해질 개발, 막 전극 어셈블리 개선 등 비용을 절감하면서 연료 전지 기술의 성능과 내구성을 향상시키는 데 초점을 맞추고 있습니다.

연료 전지 및 막 소재는 높은 양성자 전도성, 높은 화학 및 열 안정성, 낮은 가스 투과성과 같은 우수한 특성을 제공하여 연료 전지 부품에 적합합니다. 머크는 연료전지 촉매의 높은 활성화를 위해 백금 및 백금 합금, 도핑된 백금 촉매, 대체 백금 증착 소재를 제공합니다.

제품

Products

고체 산화물 연료 전지(SOFC)

고체 산화물 연료 전지는 고체 산화물 전해질을 사용하여 연료 전지 음극에서 양극으로 음이온인 산소 이온을 전도합니다. 당사의 고체 산화물 소재에는 다양한 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 란타늄-스트론튬-망가나이트(LSM), 가돌리늄 도핑 세리아(GDC) 및 SOFC 응용 분야의 내구성과 성능을 향상시키기 위해 특별히 설계된 기타 세라믹 소재가 포함됩니다.

양성자 교환막(PEM) 연료전지

프로톤 교환막(PEM) 연료전지는 고분자 전해질 막 연료전지라고도 불리며, 비교적 낮은 온도(약 80 °C)에서 작동합니다. PEM 연료전지에서는 고분자 막이 전자를 차단하면서 양극에서 음극으로 양성자를 전달하고, 물의 전기분해를 통해 에너지를 생산합니다.

연료전지 구성 요소

연료전지 장치는 종종 여러 개의 연료전지를 직렬로 연결하여 스택을 형성하며, 이를 통해 총 발전량을 증가시킵니다. 각 개별 연료전지는 두 개의 전극(양극 및 음극)과 전도성 전해질이라는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. PEM 연료전지의 경우, 각 전극은 일반적으로 백금 또는 백금 합금과 같은 전기촉매가 함침된 다공성 고표면적 재료로 구성됩니다. 전해질 재료는 고분자 막으로, 이온 전도체 역할을 합니다.

순수 수소(_H₂)를 연료로 사용하는 연료전지의 경우, 수소 가스는 양극에서 양성자와 전자로 분해됩니다. 양성자는 전해질 막을 통해 전도되고, 전자는 막 주위를 흐르며 전류를 생성합니다. 하전된 이온(H+ 및 e-)은 음극에서 산소와 결합하여 물과 열을 생성합니다.

연료전지 촉매

백금은 수소 산화에 대해 높은 활성을 보이며, 여전히 자주 사용되는 전기촉매 재료입니다. 연료전지 연구의 주요 분야 중 하나는 전지 성능 저하 없이 백금 함량을 줄여 장치의 전반적인 비용 효율성을 높이는 것입니다. 이는 전도성 탄소(738581, 738549 및 738557)에 지지된 백금 나노입자로 제조된 공학적으로 설계된 촉매를 사용함으로써 달성할 수 있습니다. 이러한 소재는 나노입자의 고분산성, 높은 전기촉매 표면적(ESA), 그리고 높은 수준의 Pt 부하에서도 고온에서 입자 성장이 최소화되는 장점을 가지고 있습니다.

백금을 함유한 합금은 메탄올이나 개질가스(H₂, CO₂, CO, N₂)와 같은 특수 연료원을 사용하는 장치에 유용합니다. 예를 들어, Pt/Ru 합금은 메탄올 산화 및 일산화탄소 중독에 대해 순수 백금 전기촉매에 비해 향상된 성능을 보였습니다. Pt3Co는 또 다른 주목할 만한 촉매(특히 PEMFC 음극용)로, 산소 환원 반응에 대한 향상된 성능과 높은 안정성을 입증했습니다. Vulcan® XC72는 촉매 지지체로 사용되는 메조다공성 카본 블랙입니다. 이 물질의 높은 비표면적과 우수한 전기 전도성은 PEMFC의 성능을 향상시키고, 촉매 반응에서 촉매 나노입자의 크기를 조절하는 데 기여합니다.