높은 출력 밀도로 내구성을 강화하여 총 소유 비용 절감

수소 연료 전지 기술의 개발은 더 깨끗하고 탄소 배출이 없는 에너지 미래를 향한 큰 진전이었습니다. 연료 전지가 실행 가능한 에너지 솔루션으로 남기 위해서는 높은 출력 밀도와 장기적인 내구성을 결합하여 총 소유 비용을 낮추어야 합니다.

Donaldson은 15년 이상 전 세계의 업계를 선도하는 기업들과 협력하여 고도로 설계된 팽창형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 강화 양성자 교환 멤브레인의 상용화를 추진해 왔습니다. 그 결과, 얇고 효율적이며 내구성이 뛰어나고 최적의 전류 밀도를 위한 낮은 저항을 제공하는 멤브레인을 개발했습니다.

당사는 두께, 탄성률, 극한 강도 및 이방성과 같은 ePTFE의 특성이 연료 전지 스택의 장기적인 내구성에 미치는 영향에 대한 깊은 이해를 보유하고 있습니다. 그러한 전문성을 바탕으로 당사는 연료 전지 스택용 ePTFE 강화 합성 PEM에 최적화된 ePTFE 제품을 제공하며, 이는 비강화 PEM 연료 전지 멤브레인보다 성능이 향상된 대안입니다.

연료 전지의 작동 원리

그림 1의 개략도는 일반적인 연료 전지를 나타냅니다. 수소와 공기가 각각 음극과 양극으로 유입되어 촉매층(전극)으로 확산되며, 여기서 전기화학 반응이 일어나 전류가 생성됩니다. 반응물을 균일하게 분배하기 위해 전극과 유로 사이에 다공성 층(가스 확산층)이 일반적으로 배치됩니다.

위 방정식은 양성자 교환 멤브레인 연료 전지(PEMFC)의 기본 전기화학 반응을 나타냅니다. 연료 전지가 작동하는 동안 음극은 연료(수소 등)를 전자와 양성자로 변환하는 역할을 합니다. 생성된 양성자는 멤브레인 이오노머 층을 통과하고, 전자는 외부 회로를 통해 흐르도록 유도됩니다. 최종적으로 양성자, 전자, 산소가 양극에서 반응하여 물을 형성합니다.

촉매 코팅 멤브레인(CCM)

촉매 코팅 멤브레인(CCM)은 PEMFC의 핵심 구성 요소입니다. CCM은 양극, 음극, 그리고 전해질 역할을 하는 고분자 전해질 멤브레인 이오노머 층(예: 과불화 술폰산)으로 구성됩니다. 양극과 음극은 적절한 촉매층으로 구성되며, 층 형태로 PEM에 접합됩니다. 연료 전지 작동 중 CCM에서 전기화학 반응이 발생합니다.

고분자 전해질 멤브레인(PEM)

연료 전지에서 PEM의 주요 기능은 음극과 양극의 가스를 분리하고, 양성자를 전달하며, 전자를 절연하고, 음극과 양극 층에 기계적 지지를 제공하는 것입니다.

PEM 강화가 중요한 이유

연료 전지 작동 중 PEM은 상대 습도가 높을 때는 수분을 흡수하여 팽창하고, 상대 습도가 낮을 때는 수분을 잃어 수축합니다. 이러한 반복적인 팽창/수축 주기는 PEM에 높은 기계적 응력을 유발하여 결국 기계적 손상으로 이어집니다.

ePTFE 강화를 통해 PEM의 내구성과 수명을 크게 향상할 수 있습니다. 팽창/수축 주기 동안 ePTFE의 강한 기계적 강도와 화학적 불활성이 팽창/수축으로 발생하는 힘을 상쇄할 수 있는 '지지력'을 형성합니다. 따라서 ePTFE 강화 멤브레인은 비강화 고밀도 멤브레인보다 기계적 내구성이 현저히 우수합니다.

실제로 미국 에너지부(DOE)의 내구성 목표인 승용차 8,000시간, 대형 차량 30,000시간은 ePTFE 강화 설계 PEM 멤브레인 없이는 달성할 수 없습니다.

또한 얇고 고효율의 ePTFE 멤브레인은 높은 전류 밀도 유지를 도우면서 이 중요한 강화 기능을 제공할 수 있어 스택 내 셀 수를 줄여 전체 무게를 감소시킵니다. 이 모든 것이 강도, 성능, 발전량을 저하시키지 않고 가능합니다.

응용 분야에 따른 최적의 ePTFE 구조 결정

대부분의 양성자 교환 멤브레인은 특정 용도에 맞게 정밀하게 설계되어야 합니다. 예를 들어 고정식 연료 전지, 승용차, 대형 차량의 요구 사항은 매우 다릅니다. 따라서 PEM 멤브레인 강화재로 사용되는 다양한 ePTFE 구조에 대한 접근성은 OEM이 연료 전지 성능 최적화를 위해 필요한 ePTFE 강화재와 화학적 성분을 모두 선택할 수 있도록 합니다.

Donaldson은 다양한 OEM 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 응용 분야를 위한 여러 세대의 멤브레인을 개발해 왔습니다. 당사의 제품군은 아래와 같이 각각의 고유한 용도에 맞는 엔지니어링 설계 솔루션을 제공합니다.

적합한 멤브레인 선택이 만드는 차이 

Donaldson의 독자적인 Tetratex™ ePTFE 멤브레인으로 구성된 광범위한 포트폴리오는 수십 년 동안의 연구 개발을 통해 발전해 왔으며, 엄격한 업계 성능 요구 사항을 지속적으로 충족하는 동시에 스택 크기 감소와 총 소유 비용 절감에 대한 OEM의 요구에 부응하고 있습니다. Tetratex는 Donaldson이 독점적으로 제조 및 유통하며, 안정적인 공급과 적시 납품을 보장하기 위해 고품질 제조 및 고객 서비스에 중점을 두고 있습니다.

Donaldson은 다양한 사양과 응용 분야에 맞는 여러 ePTFE 수소 연료 전지 멤브레인 기술 옵션을 제공함으로써 OEM 및 Tier 1/Tier 2 공급업체에 다음을 제공합니다.

• 스택의 기계적 내구성을 유지하면서 높은 전류 밀도를 위한 요구사항을 지원하는 얇은 멤브레인
• 스택 크기 및 무게 감소
• 긴 서비스 수명을 자랑하는 뛰어난 기계적 내구성 및 높은 강도
• 일관되고 안정적인 성능
• 코팅과 무관하게 ePTFE 멤브레인을 지정할 수 있는 유연성을 갖추고 있기 때문에 OEM에서는 사전 설정된(최적화되지 않은) 솔루션이 아닌 최적의 멤브레인/코팅 솔루션을 선택할 수 있습니다.