기체 확산층(GDL)을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 현탁액으로 코팅하는 주된 목적은 탄소 천의 소수성을 엄격하게 조절하는 것입니다. 이 처리는 반응 생성된 액체 물이 촉매층을 침수시키는 것을 방지하는 발수성 네트워크를 생성하여 염산 전기분해 중 반응물 기체가 활성 부위에 성공적으로 도달할 수 있도록 보장합니다.
소수성 미세 다공층(MPL)을 생성함으로써 PTFE 코팅은 물 관리의 기본적인 메커니즘 역할을 합니다. 이는 반응 부위를 막는 액체 물의 축적을 방지하여 기체 확산에 필요한 경로를 확보합니다.
수분 관리 메커니즘
소수성 조절
PTFE 현탁액의 핵심 기능은 탄소 천의 표면 화학을 변경하는 것입니다. 소수성(발수성)을 도입함으로써 코팅은 액체가 GDL 구조와 상호 작용하는 방식을 변화시킵니다.
이는 반응 중에 생성된 물이 탄소 섬유를 "젖게" 하거나 흡수되지 않도록 합니다. 대신 물은 표면에 필름을 형성하는 대신 구슬처럼 뭉쳐 배출됩니다.
미세 다공층(MPL) 생성
PTFE 현탁액의 적용은 미세 다공층(MPL)의 형성을 초래합니다. 이는 거시적 확산층과 촉매 사이의 중간 경계 역할을 하는 중요한 구조적 구성 요소입니다.
MPL은 GDL의 기공 구조를 개선합니다. 이는 유체 흐름을 관리하는 전용 네트워크를 제공하여 액체 물 배출 경로와 기체 유입 경로를 명확하게 분리합니다.
촉매 침수 방지
포화 방지
염산 전기분해에서 액체 물의 생성은 침수의 상당한 위험을 초래합니다. GDL이 포화되면 액체가 촉매층을 물리적으로 차단합니다.
PTFE 코팅은 물 축적을 적극적으로 거부함으로써 이를 완화합니다. 기공을 개방되고 건조하게 유지함으로써 시스템은 전기화학 반응이 진행되는 데 필요한 가용 표면적을 유지합니다.
기체 확산 보장
침수를 방지하는 궁극적인 목표는 기체 확산 효율을 유지하는 것입니다. 반응물 기체는 촉매 표면에 도달하기 위해 GDL을 투과할 수 있어야 합니다.
GDL 기공이 액체 물로 막히면 기체 수송이 방해되고 셀 성능이 즉시 저하됩니다. PTFE 처리된 네트워크는 이러한 기체 수송 경로가 막히지 않도록 합니다.
절충점 이해
투과성의 균형
PTFE는 물 배출에 필수적이지만, 적용에는 다공성에 관한 섬세한 절충이 포함됩니다.
목표는 GDL을 밀봉하지 않고 소수성 네트워크를 만드는 것입니다. 코팅은 물을 거부하기에 충분해야 하지만 반응물 기체 자체의 물리적 흐름을 제한할 정도로 밀도가 높아서는 안 됩니다.
수분 균형 관리
시스템은 정밀한 수분 균형에 의존합니다. 완전한 탈수는 목표가 아닙니다. 오히려 제어된 관리가 목표입니다.
PTFE 코팅은 물 제거 속도가 물 생성 속도와 일치하도록 보장합니다. 이는 촉매의 "침수"를 방지하는 동시에 셀의 필요한 유체 역학을 수용합니다.
목표에 맞는 최적의 선택
염산 전기분해를 위한 GDL 구성을 최적화할 때 PTFE 로딩이 특정 작동 매개변수에 미치는 영향을 고려하십시오.
- 전압 불안정 방지에 중점을 두는 경우: PTFE 코팅이 견고한 MPL을 형성하여 촉매 계면에서의 국부적인 침수 위험을 제거하도록 하십시오.
- 고전류 밀도 극대화에 중점을 두는 경우: PTFE 네트워크가 빠른 기체 질량 수송에 필요한 전체 다공성을 감소시키지 않고 소수성을 조절하는지 확인하십시오.
염산 전기분해의 성공은 액체 물 축적을 엄격하게 관리하여 기체 확산을 위한 명확하고 개방된 경로를 유지하는 데 달려 있습니다.
요약 표:
| 기능 | GDL에서 PTFE 코팅의 역할 | 염산 전기분해에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 소수성 | 물을 거부하도록 표면 화학을 조절합니다. | 액체 축적 및 셀의 '침수'를 방지합니다. |
| MPL 형성 | 미세 다공층 인터페이스를 생성합니다. | 기체 유입 및 액체 배출을 위한 명확한 경로를 보장합니다. |
| 수분 관리 | 수분 배출과 보존의 균형을 맞춥니다. | 전압 안정성을 유지하고 촉매 포화를 방지합니다. |
| 기체 확산 | 기공을 막히지 않고 건조하게 유지합니다. | 활성 촉매 부위로의 빠른 반응물 수송을 촉진합니다. |
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참고문헌
- Simon Bechtel, Kai Sundmacher. Advances in the HCl gas-phase electrolysis employing an oxygen-depolarized cathode. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.137282
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