양성자 교환막() 연료 전지"탄소 피크" 및 "탄소 중립성을 달성하기 위한 가장 유망한 기술 중 하나입니다. 연료 전지는 지난 수세기 동안 흥망성쇠를 겪었지만 현재는 지속 가능한 사회를 구축하는 데 중요한 역할을 합니다. 오늘날의 연료 전지이전 세대에 비해 상당히 낮은 백금() 로딩을 제공합니다. 예를 들어, 최초로 상용화된 연료 전지 차량인 1세대 연료 전지(2017)의 총 로딩은 0.365 ⁻²에 불과하여 1962년의 최초의 실용 연료 전지( 로딩이 35 ⁻²이고 전해질로 수산화 칼륨 용액을 사용함)에 비해 상당히 감소했습니다. 연료 전지의 상당한 발전은 촉매 층의 개발뿐만 아니라 기존의 산/염기 용액 전해질을 고급 퍼플루오로설폰산 수지(예: 나피온)로 대체한 데 기인합니다. 이러한 소재는 1970년대에 도입된 이래로 막 전극 조립체()의 구조와 관련 제조 공정을 발전시켜 왔습니다.
연료 전지점차 상업적으로 활용되고 있으며, 예를 들어 자동차의 전원으로 활용되고 있습니다. , , Honda와 같은 회사는 연료 전지 자동차를 시장에 출시했습니다. 그러나 연료 전지현재 내연 기관과 배터리와의 경쟁에 직면해 있는데, 이는 주로 높은 비용과 짧은 수명 때문입니다. 이러한 과제를 극복하기 위해서는 첨단 소재와 제조 기술의 개발이 필수적입니다. 이러한 진전을 위해서는 기업, 대학, 연구 기관, 고객, 정부 간의 긴밀한 협력이 필요합니다. 이 과정에서 기초 연구는 고성능 및 내구성 있는 개발에 집중해야 하며, 산업적 노력은 핵심 소재와 구성 요소의 생산 규모 확대를 고려해야 합니다. 현재 촉매, 이오노머, 멤브레인, 가스 확산층()을 포함한 구성 요소는 산업 생산에 성공적으로 구현되었습니다. 그러나 이러한 소재를 MEA에 통합하면 종종 상당한 성능 손실이 발생합니다. 기술 커뮤니티는 구성 요소의 호환성에 상당한 주의를 기울였으며 이러한 이해를 바탕으로 개선된 제조 공정을 개발했습니다.
2. 막전극 핵심소재의 최신 진전
MEA는 전기화학 반응의 주요 부위이며 연료 전지에서 핵심적인 역할을 합니다. MEA는 일반적으로 촉매, 이오노머, 양성자 교환막, 가스 확산층(), 접착제, 프레임의 여섯 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. MEA의 작동 메커니즘은 그림에 설명되어 있습니다. 전기 에너지는 애노드와 캐소드에서 발생하는 독립적인 산화환원 반응을 통해 생성됩니다. 따라서 이러한 산화환원 반응의 동역학을 연구하는 것이 필수적이며, 이를 위해서는 반응 동역학을 가속화하는 효율적인 촉매가 필요합니다. 일반적으로 촉매는 GDL과 사이에 위치한 촉매층에서 작동합니다. 촉매층에서 양성자 전달을 용이하게 하고 기계적 강도를 높이기 위해 양성자 전도성이 있는 이오노머를 적용해야 합니다. 이오노머의 구성은 일반적으로 양성자 교환막의 구성과 일치하여 작동 중에 수소와 산소의 교차를 방지하면서 애노드에서 캐소드로 양성자를 빠르게 전달할 수 있습니다. 또한 양쪽의 소수성 GDL은 가스 분배와 과도한 수분 제거에 필수적이며, 이는 연료 전지의 물 관리에 필수적입니다. 이러한 재료는 MEA의 핵심입니다.
