홈이 있는 전극은 양성자의 성능을 향상시킬 수 있습니다

뉴멕시코주 로스앨러모스(LOS ALAMOS) – 양성자 교환막 연료전지는 운송 부문에서 탄소 배출을 줄이기 위한 유망한 에너지 솔루션입니다. 이름에서 알 수 있듯이 이 세포에는 전해질 역할을 하는 고분자 물질을 기반으로 한 양성자 전도성 막을 포함하고 있습니다.

PEMFC는 주목할만한 이점을 가질 수 있지만 대규모로 구현하려면 비용, 내구성 및 작동에 필요한 연료 가용성을 개선해야 합니다.

Los Alamos National Laboratory의 연구원들은 최근 PEMFC의 성능과 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 전극을 개발했습니다. Nature Energy에 소개된 이러한 전극은 연료 전지에서 산소와 양성자의 이동을 촉진할 수 있는 특징적인 홈이 있는 형태를 가지고 있습니다.

“우리는 기존 전극의 성능이 산소 및 양성자와 같은 종의 이동에 의해 제한된다는 것을 알고 있었으며, 탄소 지지 백금 촉매와 양성자 전도성 이오노머를 사용하면 성능이 크게 향상됩니다.”라고 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Jacob Spendelow는 Tech Xplore에 말했습니다.

“30년이 지난 지금도 최첨단 전극이 여전히 본질적으로 동일한 구조를 사용하고 있다는 것은 다소 놀라운 일입니다. 따라서 우리는 산소와 양성자 수송을 촉진하기 위해 합리적인 설계 접근 방식을 사용하여 구조를 재설계하기 시작했습니다."

스펜델로우(Spendelow)와 그의 동료들이 디자인한 홈이 있는 전극은 수많은 마이크로 크기의 능선을 가지고 있으며, 이는 기본적으로 빈 홈으로 분리된 탄소 지지 백금 촉매로 구성됩니다. 독특한 구성으로 인해 산소와 양성자의 수송을 구조의 여러 부분으로 분할할 수 있습니다.

“기존 전극은 전극의 모든 부분을 통해 산소와 양성자의 혼합 수송이 필요합니다. 이는 양성자 전도성 이오노머가 산소 수송을 방해하기 때문에 일부 설계 절충이 필요합니다.”라고 스펜델로우는 설명했습니다. “반대로, 산소와 양성자 수송을 분리함으로써 홈이 있는 전극 설계를 통해 전극의 일부(홈)는 산소 수송에 최적화되고 다른 부분(융선)은 양성자 수송에 최적화될 수 있습니다. 이러한 '분할 정복' 접근 방식을 통해 더 빠른 전송과 더 높은 성능이 가능해졌습니다.”

연구원들은 연료 전지의 표준 작동 조건에서 실행되는 일련의 테스트를 통해 홈이 있는 전극을 평가했습니다. 연구진은 기존 전극에 비해 성능이 최대 50% 향상되었으며, 산소 전달을 촉진하고 화학 반응의 균일성을 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. 또한, 홈이 있는 전극은 탄소 부식 테스트 후에도 성능이 크게 저하되지 않아 기존 전극보다 내구성이 더 뛰어난 것으로 나타났습니다.

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