사례 연구: PEM 수전해기용 티타늄 폼

소개

첨단 소재 및 특수 금속을 공급하는 신뢰할 수 있는 공급업체인Stanford Advanced Materials (SAM)는 최근 PEM(Proton Exchange Membrane) 물 전해조의 일부로 고품질 티타늄 폼이 필요한 미국의 한 대학 연구 프로젝트를 지원했습니다.

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도전 과제

연구팀은 다음과 같은 요구 사항을 가지고 SAM에 접근했습니다:

• PEM 연구에 대한 재료 적합성 - 티타늄 폼은 PEM 전해조에서 흔히 볼 수 있는 고산성 작동 조건에 노출되었을 때 안정성을 입증해야 했습니다.
• 구조적 무결성 및 다공성 - 폼은 기계적으로 안정적이면서도 가스 확산과 촉매 분산을 촉진하기 위해 적절한 기공 네트워크를 제공해야 했습니다.
• 연구용 샘플 크기 - 실험실에서 티타늄 폼 시트(20cm × 20cm × 5mm)의 실험 설정과 테스트가 필요했습니다.

솔루션

SAM의 기술 고문은 에너지 및 전기화학 분야에 널리 사용되는 초고품질 다공성 티타늄 제품인 TI1816 티타늄 폼을 사용할 것을 권장했습니다.

SAM의 티타늄 폼은 산성 환경에서 부식을 방지하는 자연 발생 산화물 층을 포함하고 있습니다. 공급된 폼은 높은 표면적과 개방형 다공성을 보여 촉매 활용도를 높이는 동시에 효과적인 수소 및 산소 방출을 촉진합니다.

결과

연구 그룹은 PEM 수전해조와 관련된 R&D 활동에서 SAM의 티타늄 폼을 성공적으로 구현했습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다:

• 적절한 기판으로서의 티타늄 폼 검증 - 이 소재는 구조적 및 부식 방지 요구 사항을 충족하면서 전극 지지체 역할을 할 수 있는 잠재력을 입증했습니다.
• 연구 효율성 향상 - 정밀한 치수 덕분에 추가 가공 없이 테스트 어셈블리에 직접 통합할 수 있었습니다.
• 청정 에너지 R&D 지원 - SAM에서 티타늄 폼을 조달함으로써 이 프로젝트는 전해조 효율과 수소 생산 성능을 최적화하는 목적을 계속 이어갈 수 있었습니다.

티타늄 폼이란?

티타늄 폼은 티타늄의 기계적, 화학적 장점과 폼 구조의 고유한 성능 특성을 결합한 3차원 다공성 경금속입니다. 스페이스 홀더 기술을 사용한 분말 야금, 동결 주조 또는 적층 제조 (3D 프린팅) 등의 방법을 사용하여 만들어지며 다공성, 기공 크기 및 구조적 균질성을 제어할 수 있습니다.

구조적 특징

티타늄 폼은 일반적으로 40%~80% 범위의 다공성을 가지며, 원하는 용도에 따라 다공성을 조정할 수 있습니다. 기공 크기는 수십 미크론에서 수 밀리미터까지 조정할 수 있어 질량 수송 특성을 맞춤화할 수 있습니다. 티타늄 폼은 개방형 구조임에도 불구하고 밀도에 따른 압축 강도와 강성이 매우 높아 하중을 견디는 데 강합니다. 연속적인 금속 구조는 우수한 전기 전도도를 제공하므로 전극 지지대 또는 집전체로 적합합니다.

주요 특징

1. 내식성 - 티타늄의 TiO₂ 코팅은 산성 및 산화 분해에 강합니다.
2. 높은 비표면적 - 전기화학 반응과 촉매의 증착을 용이하게 하는 충분한 반응 부위를 제공합니다.
3. 기체 및 유체에 대한 투과성 - 기공이 연결되어 있어 기체 방출과 물 수송이 효과적일 수 있습니다.
4. 저밀도 구조 - 고체 티타늄에 비해 밀도는 낮지만 필요한 강도는 유지합니다.
5. 생체 적합성 - 무독성이며 생물학적 시스템과 호환되므로 생물의학 응용 분야에서도 동일하게 활용됩니다.

티타늄 폼의 응용 분야

• 에너지 및 전기화학: 티타늄 폼은 PEM 물 전해조에서 양극 기판, 촉매 지지체, 집전체 역할을 하며 연료 전지에서 유동장 및 가스 확산층으로 사용됩니다. 또한 리튬 이온 및 고체 배터리의 전도성 스캐폴드로도 사용됩니다.
• 생의학 공학: 뼈 스캐폴드와 뼈 임플란트의 티타늄 폼은 생체 적합성과 인성으로 인해 골 유착을 개선하고 치과 보철물 및 수술용 임플란트에서 사용됩니다.
• 화학 처리 및 촉매: 수소화 및 산화 반응, 내식성이 필요한 전기화학 필터 및 반응기에서 촉매 지지체로 사용됩니다.
• 항공우주 및 방위: 티타늄 폼은 항공우주 분야에 가볍고 부식에 강한 구조 부재와 열 관리 복합재를 제공합니다.

왜 다른 소재가 아닌 티타늄 폼일까요?

PEM 전해조용 전극 및 기판 소재를 선택할 때 여러 가지 옵션이 있지만 티타늄 폼에는 몇 가지 장점이 있습니다:

자세한 정보 및 고급 소재에 대한 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하세요.

SAM의 TI1816 티타늄 폼이란?

TI1816 티타늄 폼은 Stanford Advanced Materials에서 제공하는 고유한 다공성 티타늄 소재입니다. 특별한 고객 요구 사항을 충족하기 위해 특수한 시트 치수, 두께 및 다공성 비율로 제공되는 이 제품은 고순도 및 구조적 균질성으로 제조되며 특히 전기분해, 촉매 및 생의학 연구와 같은 까다로운 환경에 적합합니다.

결론

이 협업을 통해 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈는 PEM 수전해기 연구를 위한 맞춤형 티타늄 폼을 제공했습니다. 프로젝트의 구조 및 내식성 요구 사항 충족부터 정밀한 치수 제공에 이르기까지 SAM은 산업계와 학계 고객 모두에게 신뢰할 수 있는 협력업체로 자리매김했습니다.

참조:

[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K. (2017). 재생 에너지의 대규모 에너지 저장을 위한 양성자 교환막 전해조의 저비용 바이폴라 플레이트 및 집전판용 보호 코팅. 10.5772/intechopen.68528.