가스 확산 층: 파이버 펠트가 선호되는 이유

가스 확산층(GDL)은 연료 전지와 전해조에서 중요한 요소입니다. 가스 확산층은 유동 채널과 촉매 사이에서 가스, 전자, 액체를 효율적으로 운반할 수 있게 해줍니다. 섬유 펠트는 전도성, 다공성 및 유연성의 이상적인 조합을 나타내기 때문에 선호되는 옵션입니다.

가스 확산층이란 무엇인가요?

기체확산층은 전기화학 장치에서 촉매층과 유동장 사이에 배치되는 다공성 물질입니다. 가스 확산층의 주요 기능은 반응 가스를 촉매 표면으로 균일하게 전달하고 생성 가스를 효율적으로 배출할 수 있도록 하는 것입니다. 연료 전지에서 GDL은 수소와 산소 수송을 관리하여 전기화학 반응을 극대화하고 농도 손실을 최소화합니다. 전해조에서는 전극에서 생성된 수소와 산소 가스를 효과적으로 배출하는 데 도움을 줍니다.

가스 수송 외에도 GDL은 촉매층을 기계적으로 지원하고 물 관리에도 관여합니다. 물이 균일하게 분배되면 촉매의 성능을 심각하게 저하시킬 수 있는 침수나 건조를 방지할 수 있습니다. 전기 전도도 또한 중요한 기능으로, GDL은 촉매와 외부 회로 사이에서 전자를 전도합니다. 이러한 요구 사항으로 인해 장기적으로 디바이스의 효율성과 수명을 위해서는 GDL의 소재 선택이 필수적입니다.

그림 1 제로 갭 전해조 셀의 개략도 [1] [1

파이버 펠트란 무엇인가요?

파이버펠트는 섬유를 다공성 네트워크로 얽어 만든 부직포 매트입니다. 일반적으로 탄소로 만들어지며, 전기 전도성과 화학적 안정성이 특징입니다. 펠트 내의 섬유는 무작위로 방향이 지정되어 기체와 액체가 서로 연결된 경로를 제공하는 3차원 구조를 형성합니다. 이 구조는 직조 직물이나 탄소 종이와 다르며 기계적 강도를 유지하면서 더 높은 다공성과 유연성을 부여합니다.

섬유 펠트의 생산 공정은 가열, 압력 또는 수지 처리를 통해 섬유를 결합하여 엔지니어링된 두께, 밀도 및 투과성을 가진 매트를 만듭니다. 탄소 펠트는 불활성, 고온 저항성, 내식성을 지니고 있어 전기 화학 환경에 매우 적합합니다.

파이버 펠트가 가스 확산층에 이상적인 이유는 무엇인가요?

파이버 펠트는 여러 가지 특성이 균형을 이루고 있어 GDL로 사용하기에 매우 적합합니다. 가장 중요한 특성 중 하나는 높은 가스 투과성과 다공성을 가지고 있어 반응 가스가 촉매 층에 고르게 분포되는 동시에 생성 가스는 효과적으로 배출될 수 있다는 것입니다. 이를 통해 농도 분극을 최소화하고 전기화학 효율을 높일 수 있습니다.

또 다른 주요 장점은 뛰어난 전기 전도성입니다. 탄소 섬유 펠트는 전자의 저항이 낮은 경로를 제공하여 촉매 표면에서 효율적인 전류 수집 및 분배를 용이하게 합니다. 화학적 안정성도 중요한데, 섬유 펠트는 연료 전지 및 전해조에서 흔히 발생하는 공격적인 산성 또는 알칼리성 환경에서도 부식 및 분해에 강합니다.

기계적 유연성 또한 중요한 요소입니다. 섬유로 구성된 펠트는 균열이나 구조적 무결성 저하 없이 촉매 및 유동장과의 밀착을 위해 압축할 수 있습니다. 압축성은 작동 중 열팽창과 기계적 응력을 견뎌내어 장기적인 성능을 제공합니다.

연료 전지에서는 물을 관리합니다. 물을 고르게 퍼뜨리고 범람을 방지하며 최적의 촉매 수화를 제공합니다. 전해조에서는 기포의 축적을 최소화하면서 수소와 산소 기포를 빠르게 방출하여 높은 전류 밀도에서 높은 효율을 가능하게 합니다.

가스 확산층에 파이버 펠트를 어디에 사용하나요?

파이버 펠트는 물 관리와 가스 수송이 중요한 연료 전지와 물 전해조에서 가장 많이 사용됩니다. PEM 연료 전지에서 파이버 펠트는 수소와 산소를 촉매층으로 균일하게 전달하고 물을 자유롭게 배출하기 위해 GDL로 사용됩니다. 알칼리성 또는 PEM 전해조에서 섬유 펠트는 전극 표면에서 수소와 산소 기포를 효과적으로 방출하여 높은 전류 밀도 작동을 용이하게 하기 위해 사용됩니다. 이 외에도 섬유 펠트는 고성능을 위해 균일한 기체 및 액체 분포, 화학적 및 기계적 안정성이 필수적인 단위 재생 연료 전지, 레독스 흐름 배터리 및 기타 전기화학 반응기에도 적용됩니다.

섬유 펠트 소재 목록

티타늄, 니켈, 스테인리스 스틸 섬유 펠트는 각각 가스 확산층에 뚜렷한 이점을 제공합니다. 티타늄 펠트는 높은 다공성, 강도, 산성 환경에 대한 우수한 내성으로 인해 PEM 전해조 및 연료 전지에서 선호되는 소재입니다. 맞춤형 크기와 다공성으로 높은 전류 밀도에서도 안정적인 성능과 효율적인 가스 방출을 보장합니다. 전도성과 알칼리성 부식에 대한 저항성으로 잘 알려진 니켈 펠트는 알칼리 전해조의 음극과 일부 연료 전지에서 수소 생성을 촉진하기 위해 널리 사용됩니다. 스테인리스 스틸 펠트는 내식성은 떨어지지만 내구성, 내마모성, 저렴한 비용으로 기계적 강도가 중요한 대형 전해조 및 플로우 배터리에 실용적인 선택이 될 수 있습니다.

결론

가스 확산층은 연료전지와 수전해기의 성능과 수명에 크게 기여합니다. 유망한 소재 중 섬유 펠트는 높은 다공성, 전기 전도성, 화학적 안정성 및 기계적 유연성에서 두각을 나타내고 있습니다. 더 많은 첨단 소재에 대해서는 Stanford Advanced Materials(SAM)를 참조하세요.

참조:

[1] Samu AA, Szenti I, Kukovecz Á, Endrődi B, Janáky C. 고성능_CO2 전기분해를 위한 가스 확산 층의 체계적 스크리닝. Commun Chem. 2023 Feb 24;6(1):41. 도이: 10.1038/s42004-023-00836-2. PMID: 36828885; PMCID: PMC9958001.