작성자: Simon Cleghorn, WL Gore & Associates의 글로벌 제품 전문가
의심할 여지 없이 수소는 우리의 청정 에너지 미래에 매우 중요하며 수소의 주요 다운스트림 응용 프로그램으로서 연료 전지 기술은 날이 갈수록 성숙해지고 있습니다. WL Gore & Associates(Gore)에서 수소는 저탄소, 지속 가능한 에너지 시스템이라는 우리의 글로벌 비전을 주도합니다. 수소를 에너지원으로 채택하는 데 핵심적인 역할을 하는 운송 부문보다 더 분명한 곳은 없습니다.
이러한 미래 잠재력을 실현하는 도구는 양성자 교환막(PEM) 연료 전지 스택입니다. 이것은 적절한 전문 지식을 통해 연료 전지 스택 및 시스템의 성능과 신뢰성을 획기적으로 개선하여 FCEV의 상용화를 가속화할 수 있는 멤브레인 기술을 활용합니다.
현재 교통 수단의 탄소 발자국을 줄일 수 있는 두 가지 기술이 있습니다. 바로 연료 전지 전기 자동차(FCEV)와 배터리 전기 자동차(BEV)입니다.
3~5분의 빠른 재급유 시간, 400마일 이상의 확장된 범위 및 빠르게 확장되는 수소 인프라를 통해 연료 전지 구동 차량은 놀라운 견인력을 확보하고 미래 이동성의 새로운 가능성을 열어가고 있습니다.
다양한 유형의 연료 전지 기술을 보다 깊이 살펴보면 PEM(양성자 교환막) 연료 전지는 자동차 응용 분야에 많은 유망한 가능성을 제공합니다. 따라서 PEM 연료 전지 스택 시스템이 차량용으로 훌륭한 솔루션인 이유와 많은 이점 중 일부를 살펴보겠습니다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)와 비교할 때 수소 PEM 연료 전지는 높은 전력 밀도, 낮은 무게 및 부피, 작동 전 예열이 필요하지 않은 매력적인 작동 온도 창을 제공합니다(그림 1). .
이를 통해 자동차 제조업체는 승용차에서 상용차, 장거리 물류 트럭에 이르기까지 연료 전지 구동 제품의 광범위한 포트폴리오를 제공할 수 있습니다. 이러한 우수한 다용도성 덕분에 PEM 연료 전지 스택 및 시스템은 연료 전지 시장에서 64% 점유율을 차지할 수 있었습니다(그림 2).
PEM 연료 전지 기술의 잠재적 이점은 자동차 제조업체가 투자하는 것을 중요하게 만듭니다. 그러나 기술은 규모의 경제를 달성하기 위해 상업적으로 실행 가능하고 경쟁력이 있어야 합니다. 따라서 연료 전지 스택 엔지니어가 폭넓게 인정받으려면 멤브레인 기술 전문가와 협력하고 PEM, 스택 및 시스템을 함께 최적화하여 세 가지 광범위한 범주에서 FCEV의 상용화 요구 사항을 실현해야 합니다.
- 안정적인 성능 – PEM의 전력 밀도 및 내구성 특성과 스택 및 시스템에서 최적의 성능을 위해 멤브레인 기술을 활용하는 방법을 이해합니다.
- 기술적 지원 – 차량 프로그램 목표를 충족하기 위해 사용에 적합한 솔루션, 기술 전문 지식 및 서비스 지원을 보장합니다.
- 공급 보안 – 품질, 일관성 및 확장 가능한 생산을 달성하기 위해 수소 연료 구성 요소 및 재료의 안정적인 공급망을 유지합니다.
안정적인 성능
연료 전지의 PEM은 공기(산소)에서 수소를 분리하고 양극에서 음극으로 양성자를 수송하며 셀에서 전자가 단락되는 것을 방지합니다. 이것은 PEM을 연료 전지에서 수소를 에너지로 변환하는 데 필수적인 구성 요소로 만듭니다. 고온 및 잠재적으로 건조한 조건에서 안정적으로 작동하고 우수한 성능을 제공하기 위해 자동차 연료 전지 스택의 PEM은 높은 양성자 전도도(출력 밀도 활성화), 화학적 열화 및 기계적 고장에 대한 내성, 낮은 가스 투과성을 보여야 합니다.
더 얇은 PEM을 활용하여 엔지니어는 특히 낮은 RH(상대 습도)에서 물 수송을 늘리고 성능을 향상시키면서 양성자 저항을 줄일 수 있습니다. 그러나 전통적으로 더 얇은 PEM은 기계적 특성에 영향을 미쳐 연료 전지의 수명을 저하시킬 수 있습니다.
또한 PEM이 얇아지면 가스 크로스오버가 증가하고 연료 효율이 낮아질 뿐만 아니라 화학적 분해를 가속화하는 유해 라디칼 농도가 증가하여 제품 수명이 단축될 수 있습니다.
확장된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)으로 PEM을 미세 강화함으로써 이러한 트레이드오프를 크게 줄일 수 있습니다. 수십 년간의 재료 공학 경험을 통해 개발된 Gore의 복합 강화 PEM 기술은 고도로 설계된 ePTFE, 고성능 아이오노머 및 화학적 분해를 방지하기 위한 독점 멤브레인 첨가제의 조합을 기반으로 합니다. 그 결과 특정 애플리케이션 요구 사항에 대한 저항이 낮고 내구성이 뛰어난 제품 설계가 가능합니다(그림 3). PEM 재료 및 설계, 연료 전지 스택 및 시스템에 대한 지속적인 R&D 노력은 최종 애플리케이션의 성능과 비용을 최적화하기 위해 상호 작용 및 장단점을 이해하기 위해 전체적인 접근 방식을 취해야 합니다.
기술적 지원
PEM 연구 및 개발에서 생산 및 상용화로 이동함에 따라 새롭고 다양한 제품 요구 사항이 발생합니다. PEM 공급업체는 자동차 제조업체의 맞춤형 요구 사항을 지원하기 위한 기술 전문 지식과 지식을 보유해야 합니다.
부품 공급업체는 부품의 잠재적인 성능 트레이드오프와 연료 전지 스택 및 시스템의 다른 부품과의 잠재적인 상호 작용을 깊이 이해하는 것이 중요합니다. PEM의 경우 Gore는 이러한 상호 작용을 이해하고 제품 설계를 가속화하기 위해 모델링, 현장(연료 전지) 및 현장외 테스트 방법을 모두 개발했습니다.
결정적으로 선도적인 PEM 공급업체는 재료 변경으로 인해 발생할 수 있는 성능 저하 및/또는 전력 손실의 원인을 파악하기 위해 현장 전기화학 분석(연료 전지에서)을 수행할 수 있어야 합니다. 현장 사후 분석 도구는 현장 반환 MEA/PEM 스택의 고장 모드 및 메커니즘을 진단하기 위해 자동차 공급업체에서 즉시 사용할 수 있어야 합니다.
전체적인 기술 지원을 위한 그림을 완성하기 위해 PEM 공급업체는 복잡한 문제 해결을 위한 표면 과학 조사, 열적, 기계적 및 물리적 특성화, 화학적 분석 및 미세 구조 특성화를 지원하는 포괄적인 글로벌 분석 리소스를 보유해야 합니다.
공급 보안
자동차 제조업체가 연료 전지의 대량 생산으로 이동함에 따라 PEM 제조업체는 제품 비용과 품질 위험을 최소화하면서 일관된 고성능 제품으로 높은 생산 수율을 보장해야 합니다. 일관된 원료와 정밀 멤브레인 코팅 기술을 갖춘 PEM 공급업체는 셀 간 가변성을 최소화하여 균일성과 품질을 보장할 수 있습니다(그림 4). 이를 통해 연료 전지 스택 제조업체는 스택의 셀 내 및 셀 간 성능 분포를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 그 결과 스택 생산 수율이 증가하고 비용이 절감되며 스택 수명이 향상됩니다.
또 다른 중요한 고려 사항은 원자재 공급입니다. 소수의 PEM 제조업체는 광범위한 R&D 협력을 기반으로 입증되고 신뢰할 수 있는 원자재 공급망을 구축하고 하위 공급업체와의 안전한 상업적 파트너십을 구축했습니다.
업계 수요를 충족하는 데 필요한 양만큼 고성능 PEM을 생산할 수 있는 공급업체를 찾는 것은 더욱 어렵습니다. 이를 성공의 핵심으로 이해하고 있는 Gore는 ePTFE 강화 전문 지식과 글로벌 네트워크 리소스를 활용하여 규모에 따른 공급 보안, 프로세스 안정성 및 품질 일관성을 보장합니다.
연료 전지 기술을 화물 운송 및 그 이상에서 상업적으로 실현 가능하게 만들기
오늘날 연료 전지 기술은 승용차용 FCEV에서 효과적으로 개발, 배치 및 테스트되고 있습니다. 좋은 소식은 이러한 발전과 학습이 다른 운송 산업 부문에서 PEM 기술의 많은 이점을 위한 길을 닦고 있기 때문입니다. 연료 전지 기술을 화물 운송 산업에서도 상업적으로 사용할 수 있도록 합니다.
상업용 응용 분야의 연료 전지 시스템 개발자는 이제 Gore PEM 기술의 발전을 기반으로 기술을 확장하기 위해 유사한 협업 모델을 찾고 있습니다.
그리고 그 이점은 분명합니다. 청정 수소 동력으로 작동하는 트럭은 더 가벼운 연료 전지 스택을 사용할 수 있어 더 큰 적재 용량과 향상된 효율성을 제공하여 경쟁이 치열한 산업에서 중요한 성능 지표인 총 소유 비용을 절감할 수 있습니다.
요약하면, 우리는 연료 전지 스택 엔지니어가 막 기술 전문가와 협력하여 FCEV에 대한 PEM, 스택 및 시스템 상용화 요구 사항을 신뢰할 수 있는 성능, 전문 기술 지원 및 공급 보안이라는 세 가지 범주에서 실현해야 한다고 생각합니다. 수소로 움직이는 미래를 준비합니다.
Gore와 GORE-SELECT에 대해 자세히 알아보려면® 막 기술, 방문하시기 바랍니다 https://www.gore.com/alt-energy.
WL 고어 & 어소시에이츠
수소 위원회(Hydrogen Council)의 지원 회원인 WL Gore & Associates는 산업을 변화시키고 삶을 개선하는 글로벌 소재 과학 회사입니다. Gore는 그 역사를 통틀어 우주에서 세계 최고봉, 인체의 내부 작용에 이르기까지 가장 까다로운 환경에서 복잡한 기술 문제를 해결해 왔습니다. 현재 12,000명 이상의 직원과 함께 연간 $45억의 수익을 창출하고 있습니다.
Korean 
English 
Chinese 
French 
German 
Japanese 
Spanish