PEM 수전해는 다공성 매체에 매우 까다로운 운전 환경 중 하나입니다. 막전극접합체는 1.6 V 이상의 전위에서 산성이고 산화적인 환경에 놓이기 때문에, 애노드 측에서 탄소계 재료는 빠르게 열화될 수 있습니다. 그래서 티타늄 파이버 펠트는 이런 조건에서 탄소가 제공하지 못하는 내식성을 제공하는 PEM 전해조 애노드용 표준 다공성 전달층(PTL) 재료가 되었습니다.
이 글에서는 PTL 및 GDL 선택 시 중요한 재료 특성, 사용 가능한 사양, 그리고 전해조 적용에서 티타늄 파이버 펠트를 선택할 때의 트레이드오프를 다룹니다.
티타늄 파이버 펠트란 무엇인가
티타늄 파이버 펠트는 소결된 티타늄 섬유로 이루어진 부직포형 매트입니다. 일반적으로 Grade 1 또는 Grade 2의 상업용 순 티타늄이 사용됩니다. 개별 섬유는 보통 20-80 µm 직경으로 제조되며, 이를 무작위 3차원 웹 구조로 적층한 뒤 1000-1200°C에서 진공 소결합니다. 이 과정에서 섬유들은 접촉점에서 결합되어 상호 연결된 개방 기공을 가진 자립형 다공성 시트를 형성합니다.
이 구조는 직조 메쉬나 에칭 포일과 다릅니다. 파이버 펠트는 직선 통로가 아닌 3차원적이고 굴곡진 기공 네트워크를 가지며, 이 점이 촉매층 전체에 걸쳐 보다 균일한 기액 분배를 돕는다는 의미가 있습니다.
주요 사양
재질: CP Titanium Grade 1 / Grade 2 (ASTM B265 기반)
섬유 직경: 20–80 µm (일반적으로 20 µm 또는 50 µm)
기공률: 50–80%
두께: 0.2–2.0 mm (일반적인 PTL 범위: 0.25–1.0 mm)
평균 기공 크기: 5–80 µm (섬유 직경과 압축 조건으로 조정 가능)
최대 기공 크기(버블 포인트): 등급에 따라 10–120 µm
시트 크기: 표준 최대 300 × 500 mm, 맞춤 절단 가능
전기 저항률: 두께 방향 면적 저항 <10 mΩ·cm² (1 MPa 압축 시)
PEM 전해조에서의 역할
PEM 수전해기에서 PTL은 유로 플레이트와 애노드 촉매층 사이에 위치합니다. PTL은 동시에 여러 역할을 수행해야 합니다.
- 물 분배 — 공급수는 촉매 표면 전체에 균일하게 도달해야 합니다. 파이버 펠트의 기공 네트워크는 큰 차압 없이도 모세관 작용을 이용해 물 분배를 돕습니다.
- 산소 가스 배출 — 애노드 촉매에서 발생한 산소 기포는 PTL을 통과해 유로로 빠져나가야 합니다. 기포가 축적되면 활성 촉매 부위를 막고 국부 전류 밀도를 높입니다. 파이버 펠트의 상호 연결된 기공은 여러 배출 경로를 제공합니다.
- 전자 전도 — PTL은 촉매층에서 바이폴라 플레이트로 전류를 전달합니다. 소결된 섬유 간 접점이 금속 전도 경로를 형성합니다. 접촉 저항이 낮아야 하며, 1-3 A/cm²의 고전류 밀도에서는 작은 저항 증가도 추가적인 폐열로 이어집니다.
- 기계적 지지 — 막(일반적으로 두께 50-180 µm의 Nafion)은 부드럽고 압축 시 크리프가 생기기 쉽습니다. PTL은 막을 손상시키지 않고 지지해야 합니다. 파이버 펠트의 미세한 표면 질감은 거친 메쉬나 타공판보다 막에 더 우호적일 수 있습니다.
왜 카본 페이퍼가 아닌가
PEM 연료전지의 캐소드 측에서는 카본 페이퍼나 카본 클로스가 GDL로 잘 작동합니다. 약 0 V vs. RHE의 환원 환경은 탄소에 비교적 온화하기 때문입니다. 하지만 PEM 전해조 애노드는 1.6-2.0 V vs. RHE의 높은 전위와 매우 산성인 Nafion 환경(상당 pH 약 1)에서 운전됩니다. 이런 조건에서는 탄소가 산화되어 구조적 건전성을 빠르게 잃을 수 있어 애노드 측에서는 일반적으로 사용하지 않습니다.
티타늄은 산성 유체에서도 이런 전위를 견디는 안정한 TiO₂ 수동 피막을 형성합니다. PEM 애노드 조건에서 CP 티타늄의 부식 속도는 수천 시간 운전 동안 사실상 매우 낮은 수준으로 평가됩니다.
기공률과 기공 크기: 무엇을 지정해야 하나
기공률
높은 기공률(70-80%)은 물과 가스 전달을 개선하지만 기계적 강도와 전기 전도성은 떨어집니다. 낮은 기공률(50-60%)은 접촉 저항과 구조 강성을 개선하지만, 높은 전류 밀도에서는 물질 전달을 제한할 수 있습니다. 1-2 A/cm²에서 운전하는 대부분의 PEM 전해조 스택에서는 60-75%가 현실적인 출발 범위입니다.
기공 크기
작은 기공(5-20 µm)은 물 관리에 유리한 모세관 압력과 막 접촉에 더 적합한 매끄러운 표면을 제공합니다. 반면 지나치게 미세한 기공은 산소 기포를 가두어 물질 전달 과전압을 증가시킬 수 있습니다. 큰 기공(40-80 µm)은 가스 배출에는 유리하지만 촉매층에 가해지는 압력을 불균일하게 만들 수 있습니다. 기공 크기는 섬유 직경과 소결 압축 조건으로 제어됩니다.
두께
얇은 PTL(0.2-0.5 mm)은 두께 방향 저항과 스택 두께를 줄일 수 있지만 취급이 더 어렵고, 유로 간격이 넓을 때는 유동 분배가 충분하지 않을 수 있습니다. 두꺼운 PTL(0.5-1.0 mm)은 면내 분배에는 유리하지만 저항과 중량이 증가합니다. 대부분의 상용 스택은 소형 셀에서 0.25-0.5 mm, 더 큰 활성 면적에서는 0.5-1.0 mm를 사용합니다.
연구 및 성능 향상을 위한 표면 코팅
무코팅 티타늄 파이버 펠트도 PTL로 잘 작동하지만, 자연 형성되는 TiO₂ 산화층은 일부 접촉 저항을 유발합니다. 연구용 및 고성능 스택에서는 다음과 같은 코팅이 도움이 될 수 있습니다.
- 백금(Pt) 코팅 — PTL과 촉매층 사이의 계면 접촉 저항을 낮춥니다. 일반적인 코팅량은 0.05-0.5 mg/cm²이며, 스퍼터링, 전기도금, 원자층 증착으로 적용됩니다.
- 이리듐(Ir) 또는 산화이리듐(IrO₂) 코팅 — 접촉 저항 감소와 추가 촉매층 역할을 함께 수행합니다. 양기능 전극 연구 등에서 관련성이 있습니다.
- 루테늄(Ru) 코팅 — 일부 촉매 스크리닝 연구에서 사용됩니다. Ir보다 비용은 낮지만 높은 애노드 전위에서의 안정성은 떨어질 수 있습니다.
FILTURE는 이러한 코팅에 적합한 파이버 펠트 기재를 공급합니다. 세정 및 에칭 같은 표면 전처리도 고객의 증착 공정에 맞춰 지정할 수 있습니다.
주문 시 고려 사항
PEM 전해조용 티타늄 파이버 펠트를 지정할 때 중요한 항목은 목표 기공률(±5%), 두께(±0.05 mm), 섬유 직경, 최대 기공 크기입니다. 연구 단계에서는 50 × 50 mm 또는 100 × 100 mm 같은 소형 시트를 셀 형상에 맞춰 절단해 사용하는 경우가 많습니다. 반면 스택 프로토타이핑 단계에서는 더 큰 시트와 정밀한 공차 관리가 중요해집니다.
PEM 수전해용 티타늄 파이버 펠트의 상세 사양과 가격은 제품 페이지를 확인하거나, 셀 설계 조건과 함께 문의해 주세요.
