낮은 이리듐 부하 티타늄 양극: PEM 비용 절감의 이정표

이리듐 로딩을 줄이는 것은 단순히 재료를 적게 사용하는 것보다 더 복잡합니다. 촉매 활성, 전기 전도도 및 내식성을 유지하려면 세심한 엔지니어링이 필요합니다. 어려운 부분은 가능한 한 적은 양의 귀중한 금속을 사용하면서 전기화학적 활성 표면적을 유지하는 것입니다. 새로운 코팅 방법은 이제 0.05~0.5mg/cm²만큼 낮은 이리듐 부하를 얻을 수 있습니다. 이는 기존 방법보다 85~95% 적고 시스템 안정성이나 수소 생산량 속도를 손상시키지 않습니다.

이러한 성공은 코팅 형태와 베이스 엔지니어링의 주요 변화에 기인합니다. 현대의 낮은-부하 방법은 두껍고 균일한 층 대신 매우 다공성이고 단위 질량당 가장 활성이 높은 사이트를 갖는 나노구조 표면을 만듭니다. 접착력을 향상시키고 부동태화를 방지하기 위해 티타늄 베이스 자체에 특수 공정이 수행됩니다. 이러한 새로운 아이디어는 귀금속을 효율적으로 사용하는 것과 물건을 오래 지속시키는 것이 서로 다른 목표가 아니라는 것을 보여줍니다.

낮은 이리듐 로딩의 큰 진전은 나노 수준에서 층의 구조를 변경하는 것에서 비롯됩니다. 연속적인 판을 만드는 대신 새로운 적층 방법은 섬처럼 보이고 표면-대-부피 비율이 훨씬 더 높은 구조를 만듭니다. 이러한 나노구조 층은 이리듐 1g당 사용할 수 있는 촉매 부위를 훨씬 더 많이 만들어, 사용되는 양을 줄이면서 재료의 자연 활성을 증가시킵니다. 투과전자현미경을 사용한 연구에 따르면 크기가 5~20나노미터인 입자가 나타나 전기화학에 매우 접근하기 쉽습니다. 복합 코팅 전략은 더 많은 귀금속을 사용하지 않고도 코팅을 더욱 안정적으로 만드는 지지 재료를 사용하여 성능을 더욱 향상시킵니다. 탄탈륨 산화물, 티타늄 이산화물 등과 같은 밸브 금속 산화물은 이리듐 상을 지지하고 장기간 사용 중에 이리듐 상이 소결되거나 서로 달라붙는 것을 방지합니다-. 이러한 복합 아키텍처는 기존 설계에 사용되는 소량의 이리듐만 사용하면서 수천 시간 동안 촉매 효율성을 유지합니다.

4세대의 새로운 커버 기술은{0}}10,000시간 이상의 지속적인 PEM 작동을 지속시키는 자가 복구 기능을 사용합니다. 세륨 및 란타늄과 같은 희토류 도펀트는 산소가 피복 매트릭스 내에서 이동할 수 있도록 합니다. 이를 통해 결함이 더 심해지고 치명적인 오류가 발생하기 전에 로컬에서 결함을 수정할 수 있습니다. 전기화학적 힘은 이러한 물질을 손상 부위로 밀어 넣어 보호 산화물 층을 재건하고 코팅의 무결성을 유지합니다. 더 적은 이리듐 부하와 더 긴 내구성이 함께 작용하여 강력한 가치 제안을 제공합니다. 정기적으로 양극을 수리하거나 재코팅해야 했던 시스템은 이제 유지 관리 없이 더 오랜 시간 동안 작동할 수 있으므로 비용과 가동 중지 시간이 줄어듭니다. 이 신뢰성 요소는 멀리 떨어진 곳에 설치하거나 유지 관리가 많이 필요하고 비용이 많이 드는 대규모 시설에 특히 유용합니다.

PEM 작동 중에 열 순환과 전기화학적 압력으로 인해 피복 시스템이 기계적으로 늘어납니다. 티타늄 기판과 세라믹 산화물 코팅 사이의 열팽창 계수 불일치로 인해 재료 내부에 작은 균열로 나타나는 응력이 발생합니다. 아무 조치도 취하지 않으면 이러한 결함이 코팅 전체로 퍼져 아래의 티타늄이 부식성 산성 전해질에 노출되어 분해 과정이 가속화됩니다. 구성과 구조의 변화를 통해 그라디언트 전환 레이어는 기계적 응력을 제거합니다. Ti{4}}TiN-Ta2O₅ 시스템은 속성을 갑자기 변경하지 않습니다. 대신 균열이 나타나지 않고 재료의 다른 부분이 확장될 수 있도록 점진적인 강성 구배를 만듭니다. 탄탈륨 산화물의 열팽창 계수는 금속 티타늄과 이리듐 산화물 사이에 있습니다. 유연한 질화 티타늄 층은 변형 에너지를 흡수합니다. 직접 증착 코팅과 비교할 때-이 엔지니어링 방법은 코팅 접착 강도가 눈에 띄게 향상되었으며 스크래치 테스트에서 임계 부하 값이 150~200% 증가했습니다.

저부하 기술의 실험실 시연은{0}}대량 제조에 대한 실행 가능한 경로가 없으면 제한된 가치를 갖습니다. 연구 규모의 일괄 처리에서 산업 환경의 연속 생산으로 전환하는 경우 코팅의 균일성, 제어 가능한 구성 및 성능을 일관되게 유지하기 어려울 수 있습니다. 상용화가 잘 되려면 매년 수천 제곱미터 이상의 전극 면적이 사양을 충족하는 제품을 제공할 수 있는 강력한 프로세스가 필요합니다. 현대 코팅 공장에서는 기판 온도, 전구체 농도, 적용률, 공기 구성과 같은 중요한 요소를 항상 감시하는 자동 공정 제어 시스템을 사용합니다.- 제품 품질에 영향을 미치기 전에 통계적 공정 관리 방법을 사용하여 변형을 찾아냅니다. 이를 통해 모든 티타늄 양극은 엄격한 전기화학적 성능 표준을 충족합니다. 이 제조 분야에서는 유망한 실험실 방법을 사용하여 이를 거친 산업 환경에서 사용할 수 있는 신뢰할 수 있는 제품으로 전환합니다.

상업용 PEM 시스템은 수십 킬로와트 전력을 사용하는 소형 스키드 장착형 장치부터 메가와트 전력을 사용하는 유연한 설정에 이르기까지 모양과 크기가 매우 다양합니다. 이로 인해 저-귀금속 티타늄 양극 솔루션은 광범위한 셀 설계, 작동 압력 및 열 관리 전략과 잘 작동할 수 있어야 합니다. 기판의 다공성, 두께 표준 및 코팅 공식은 각 용도에 맞게 최적화되어야 합니다. 이러한 유연성은 다공성 티타늄 수송층 기술로 입증됩니다. 구배 다공성 구조는 전극 표면에서 기포를 신속하게 제거하고 섬세한 양성자 교환막을 기계적으로 지원하는 데 도움이 됩니다. 상호 연결된 기공 네트워크는 산소가 촉매 부위에서 빠르게 이동하도록 하여 효율을 낮추는 농도 과전위를 방지합니다. 이러한 특수 기판이 최적화된 저부하 코팅과 결합되면 낮은 셀 전압과 높은 수소 생산 속도에서 볼 수 있는 방식으로 성능이 향상됩니다.

PEM 전해조는 받는 재생 에너지의 유형, 그리드에 연결해야 하는 방법, 생산되는 수소의 양에 따라 다양한 상황에서 작동합니다. 백금/이리듐 로딩을 0.05mg/cm²에서 0.5mg/cm²로 변경할 수 있어 특정 작동 요소를 최적화할 수 있습니다. 중간 전류 밀도와 안정적인 입력 전력을 사용하는 경우에는 부하가 낮으면 충분합니다. 반면에 부하가 높을수록 부하 주기가 빠르고 피크 전류 밀도가 3A/cm² 이상이므로 열악한 작업 조건이 허용됩니다. 이 구성 기능은 햇빛이나 바람의 양에 따라 전해조의 부하 계수가 변할 때 녹색 에너지를 통합하는 데 특히 유용합니다. 간헐적으로 사용하기 위한 전극을 설계할 때 열 및 전기화학적 순환에 따른 내구성이 최우선 사항입니다. 반면, 베이스로드 애플리케이션을 위한 전극을 설계할 때는 최대 촉매 효율이 최우선 사항입니다. NAVI의 기술 플랫폼은 각 고객의 요구에 맞는 코팅 사양을 만들어 두 가지 비즈니스 방식을 모두 처리할 수 있습니다.