세계적으로 청정 에너지에 대한 수요가 극적으로 증가함에 따라 양성자 교환막 연료 전지(PEMFC)가 점차 주목을 받고 있습니다. 이 기술은 운송 분야뿐만 아니라 고정 및 휴대용 연료 전지에도 사용될 것으로 예상됩니다. PEMFC는 독특한 저온 작동 범위와 특수한 양성자 전도성 폴리머 전해질을 갖추고 있어 노후화된 알칼리 연료 전지 기술을 대체할 수 있는 큰 잠재력을 보여줍니다. 그렇다면 이 기술이 미래의 교통 혁명을 주도할 만큼 특별한 이유는 무엇일까요?
양성자 교환막 연료 전지의 핵심은 전극, 전해질, 촉매 및 가스 확산층으로 구성된 막 전극 접합체(MEA)에 있습니다. 작동 중에 수소는 양극으로 들어가 촉매의 작용으로 양성자와 전자로 분해됩니다. 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전류를 생성하고, 양성자는 폴리머 전해질 막을 통과하여 음극으로 이동하여 결국 산소와 반응하여 물을 생성합니다.
양성자 교환막 연료 전지는 전자 흐름의 변화를 통해 수소와 산소의 화학 에너지를 최대한 활용하여 전기를 생산하도록 설계되었습니다. 이 과정은 전통적인 연소 반응과 완전히 다릅니다.
PEMFC의 주요 장점으로는 밀봉이 쉽고 작동 온도가 낮으며 전력 밀도가 높다는 점이 있으며, 이러한 장점으로 인해 운송 분야에 매우 매력적입니다. 저온 시동과 높은 에너지 밀도에 대한 요구 사항을 충족하기 위해 PEMFC는 뛰어난 성능을 발휘하며 -20°C 환경에서도 정상적으로 시동이 가능합니다. 그럼에도 불구하고 PEMFC는 여전히 물 관리, 촉매 취약성, 작동 온도 제한 등 수많은 과제에 직면해 있습니다.
물 관리가 PEM 시스템 성능에 매우 중요합니다. 물이 너무 많거나 적으면 연료 전지의 안정성과 출력에 영향을 미칠 수 있습니다.
백금 촉매는 수소와 산소의 반응을 효과적으로 극복할 수 있지만, 일산화탄소와 금속 이온 오염의 영향을 받기 쉬워 효율성이 떨어지는 단점이 있습니다. 이러한 문제에 대응하여 많은 연구자들은 현재 기술의 병목 현상을 극복하기 위해 효율적인 촉매 물질과 대체 폴리머 전해질을 찾고 있습니다.
나피온 소재는 현재 시장에서 주로 멤브레인으로 사용되지만, 고온과 습도에 민감하여 극한 환경에서의 적용이 제한됩니다.
떠오르는 기술로서, 금속-유기 구조체(MOF)는 그 뛰어난 물리적, 화학적 특성으로 인해 많은 주목을 받고 있습니다. MOF는 전해질 설계에 있어 큰 유연성을 제공하고, 낮은 온도에서 높은 온도 범위에서도 좋은 전도도를 유지하며, 기존의 폴리머 막을 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러므로 그들은 연료전지의 응용에 있어서 중요한 역할을 할 수 있을 것이다.
MOF의 조정 가능성과 광범위한 작동 환경에 대한 내성은 연료 전지 기술 발전을 위한 새로운 길을 열어줍니다.
양성자 교환막 연료 전지의 개발은 의심할 여지 없이 미래 교통 분야의 핵심 기술 중 하나입니다. 기술이 발전함에 따라, 우리가 직면한 과제는 점차적으로 해결되고 있습니다. 새로운 소재에 대한 연구 개발이 진행됨에 따라 PEMFC가 주류를 이루는 청정 에너지 기술이 될 수 있을까요?