전 세계 에너지 및 운송 환경은 재생 에너지를 보완하는 스마트 에너지 저장 장치로 인해 빠르게 변화하고 있습니다. 연료 전지는 스마트 에너지 인프라의 중요한 구성 요소로서, 고정식 및 이동식 응용 분야에서 국부적인 에너지 생성을 제공하게 될 것입니다. 특히 운송 분야에서는 수소 연료 전지로 구동되는 전기차의 보급이 늘어나고 있으며 곧 배터리 구동 전기차와 경쟁할 수 있는 잠재력을 갖게 될 것입니다. 연료 전지 자동차는 완전 충전까지 최소 30분이 걸리는 배터리 구동 자동차와는 달리 고속 충전이라는 장점을 가지고 있습니다. 

또한, 현재의 리튬 이온 배터리와는 달리 연료 전지 전극 물질은 독성 원소를 사용하지 않습니다.

당사의 분석 솔루션은 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)의 고분자 안정성, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 제자리(in situ) 구조 변화, 촉매 효율성과 같이 연료 전지 개발 및 최적화에 관련된 많은 문제를 해결합니다. 특히, 당사의 장비는 PEMFC 양극 및 음극 내 전기화학 반응의 촉매로 사용되는 탄소(Pt 블랙)에 지원되는 백금이 연료 전지의 효율성에 어떤 영향을 미치는지 분석할 수 있습니다. 특정 Pt 함유량에서 연료 전지의 효율성을 제어하는 중요한 파라미터는 Pt 입자 크기, 탄소 응집체 크기 및 촉매층의 마이크로 및 매크로 구조를 제어하는 촉매 잉크 제형입니다. 이러한 요소를 분석함으로써 제조업체가 최대한 효율적인 연료 전지를 개발할 수 있도록 지원합니다.

연료 전지 촉매에서 높은 고유 활성도를 어떻게 보장할 수 있습니까?

PEMFC는 수소 산화 반응(HOR)과 산소 환원 반응(ORR) 모두에서 고가의 Pt 촉매를 사용합니다. 탄소 지지대에 분산된 Pt 입자의 크기는 촉매 활성도에 직접적인 영향을 미칩니다. 더 작고 잘 분산된 Pt 입자는 더 큰 표면적을 가지므로 주어진 Pt 함유량에서 더 나은 고유 활성도와 양성자 변환 효율을 제공합니다.

그러나 더 작은 입자는 지지하는 탄소 매트릭스의 미세 구조에 따라 결정 이동을 통한 합체 또는 수정된 Oswald 숙성을 통한 성장으로 인해 상승된 온도에서 연료 전지 사용 시 더 크게 성장할 수 있습니다. 또한 탄소 응집체의 미세 구조는 효율적인 이온 운송에도 중요한 역할을 합니다. 따라서 Pt 입자 크기와 탄소 응집체 크기는 모두 연료 전지 전극에서 촉매 활성도를 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다.

Pt 입자 크기는 어떻게 측정할 수 있습니까?

X선 회절(XRD)의 결정립 크기 측정값을 사용하여 Pt 입자 크기를 추정할 수 있습니다. 이는 일반적으로 1-10nm 범위의 금속 나노 입자에서 결정립 크기가 입자 크기와 거의 동일하기 때문입니다. 이 측정은 작동이 간편한 Aeris XRD와 같은 컴팩트 회절계에서 정확하게 수행할 수 있습니다. 구체적으로, Aeris는 Pt 입자가 어떻게 소결 온도에서 굵어지는지 이해하기 위해 현장 소결에 사용되어 PEMFC의 촉매 활성도를 보다 정확하게 분석할 수 있습니다.

Pt 입자 크기를 직접 측정하는 다른 방법은 작은 각도의 X선 산란(SAXS)입니다. Empyrean XRD 플랫폼에서 SAXS 단독 또는 SAXS와 XRD 분석을 현장 소결과 함께 수행하여 Pt 입자 크기와 결정립 조대화가 연료 전지의 효율성에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다.

탄소 응집체의 크기는 어떻게 측정할 수 있습니까?

연료 전지 촉매의 탄소 응집체는 매우 긴 형태로 0.5-5 µm까지 응집될 수 있습니다. 이러한 형태를 분석하면 연료 전지 개발자가 효율성을 극대화하는 데 도움이 됩니다. 이를 위한 레이저 회절은 이러한 크기의 입자를 측정하고 서로 다른 샘플의 입자 크기 분포를 비교하는 비파괴 기법입니다. 당사의 Mastersizer 3000은 레이저 회절을 이용한 입자 크기 측정 분야의 업계 선도 표준입니다. 샘플은 건조 분말 또는 슬러리 분산으로 측정할 수 있습니다.

탄소 응집체를 측정하는 또 다른 방법은 동적 광산란(DLS)입니다. DLS는 액체에 분산된 입자의 브라운 운동을 분석하여 입자 크기를 측정합니다. 큰 입자는 천천히 그리고 작은 입자는 빠르게 움직입니다. DLS는 중력으로 인해 입자가 침전되지 않는 탄소 응집체의 1-1000nm 입자 크기 범위에서 매우 정확합니다. 당사의 Zetasizer는 DLS를 사용하여 슬러리의 탄소 응집체 크기를 측정하는 완벽한 장비입니다. 이뿐만 아니라 Zetasizer로 제타 전위를 측정하여 입자가 큰 응집체를 형성하는 경향을 판단할 수도 있습니다.

촉매 잉크의 안정성은 어떻게 측정할 수 있습니까?

촉매 잉크의 경우, 탄소 위에 지지되는 Pt 입자와 이오노머는 액체 속에 분산되어 있으며 일반적으로 표면 전하를 가집니다. 이러한 입자의 응집 현상은 비균일 코팅을 초래하여 이온 운송 시 높은 저항이 발생할 수 있습니다. 표면 전하와 관련된 제타 전위를 측정하여 이를 분석하고 예방할 수 있습니다. 제타 전위가 큰 입자(30mV 이상)는 반발하기 때문에 응집될 가능성이 적으므로 보다 안정적인 잉크를 생산할 수 있습니다. 

Zetasizer는 입자 크기 측정은 물론 제타 전위도 측정할 수 있습니다. 특히 고농도 샘플을 측정하는 특수 셀을 사용하여 촉매 잉크와 같은 전기 전도성 샘플을 측정하는 데 적합합니다. 이를 통해 개발자는 보다 안정적인 잉크를 생산하여 더욱 효율적인 연료 전지를 만들 수 있습니다.

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