연료전지 막 및 재료

고체 산화물 연료 전지(SOFC)

고체 산화물 연료 전지는 고체 산화물 전해질을 사용하여 연료 전지 음극에서 양극으로 음이온 산소 이온을 전달합니다. 머크의 고체 산화물 소재에는 다양한 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 란타늄 스트론튬 망가나이트(LSM), 가돌리늄 도핑 세리아(GDC) 및 SOFC 응용 분야의 내구성과 성능 향상을 위해 특별히 설계된 기타 세라믹 소재가 포함됩니다.

양자 교환막(PEM) 연료전지

양자 교환막(PEM) 연료 전지는 폴리머 전해질 막 연료 전지라고도 불리며, 상대적으로 낮은 온도(약 80°C)에서 작동합니다. PEM 연료 전지에서는 폴리머 막이 양자를 양극에서 음극으로 전달하는 동시에 전자를 차단하며, 물의 전기 분해를 통해 에너지를 생산합니다.

연료전지 구성 요소

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

순수 H₂로 작동하는 연료 전지의 경우, 양극에서 수소 가스가 양성자와 전자로 분해됩니다. 양성자는 전해질 막을 통해 전도되고, 전자는 막을 우회하여 흐르면서 전류를 생성합니다. 양극에서 하전된 이온(H⁺ 및 e^-)은 산소와 결합하여 물과 열을 생성합니다.

연료전지 촉매

백금은 수소 산화에 대한 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 것이었습니다. 이는 전도성 탄소에 지지된 백금 나노입자로 제작된 공학 촉매(738581, 738549, 738557)를 통해 달성 가능합니다. 이러한 재료는 고도로 분산된 나노입자, 높은 전기촉매 표면적(ESA), 그리고 높은 Pt 부하 수준에서도 고온에서 입자 성장이 최소화된다는 장점을 지닙니다.

Pt 함유 합금은 메탄올이나 개질물(H₂, CO₂, CO, N₂)과 같은 특수 연료원으로 작동하는 장치에 유용합니다. 예를 들어 Pt/Ru 합금은 메탄올 산화 및 일산화탄소 중독 측면에서 순수 Pt 전기촉매에 비해 향상된 성능을 보였습니다. Pt₃Co는 또 다른 관심 촉매(특히 PEMFC 음극용)로, 산소 환원 반응에 대한 향상된 성능과 높은 안정성을 입증했습니다. Vulcan^® XC72는 촉매 지지체로 사용되는 메조다공성 카본 블랙입니다. 높은 비표면적과 우수한 전기 전도성은 PEMFC 성능 향상과 촉매 나노입자 크기 조절에 기여합니다.