다층 소결메쉬 확산체 적용을 통한 알칼라인 수전해 셀의 물질전달 영향에 관한 연구

Abstract

알칼라인 수전해는 다른 수전해 기술 대비하여 가격경쟁력이 높고 대용량화에 유리한 장점이 있지만 수소생산밀도가 낮은 단점이 있다. 수소생산밀도를높이기 위해서는 고전류밀도 영역에서의 셀 효율을 높이는 것이 중요하며, 전해질 내 생성된 가스버블을 전극 표면으로부터 외부로 잘 배출해야 한다. 이 때 고전류 환경에서 효율을 결정하는 중요한 수전해 셀 부품으로는 다공성 확산체(Porous Transport Layer)가 있으며, 전극 외부에 위치하여 분리판으로부터 공급되는 전해질을 전극 표면으로 고르게 분배시켜 주고 전극 표면에서 생성된 버블가스를 외부로 배출시켜주는 역할을 하게 된다. 본 연구에서는 기공 크기가 다른 다층구조의 소결메쉬를 알칼라인 수전해 셀의 확산체로 적용하여 2.0 A/cm2이내의 고전류밀도 범위에서의 IV성능에 대한 영향을 살펴보고자 하였다. 제로갭(Zero-gap) 구조의 알칼라인 수전해 셀 평가를 통해 IV성능과 확산체의 구조와의 인과관계를 분석하였다. 수전해 셀 성능에 영향을 미치는 전극활성(Activation overpotential), 옴 저항(Ohmic overpotential), 물질전달 저항(Mass transport overpotential)에 따른 과전압을 각각 분리하여 셀 성능에 대한 개별적 영향을 분석하였으며, 전기화학 임피던스 분석을 통해 분리된 과전압과의 결과를 비교하였다. 본 연구에서 제안한 다층구조의 스테인리스강 소결메쉬는 상용 수전해 장치에서 사용되는 니켈 메쉬와 대비하여 특히 0.6 A/cm2 이상의 고전류 영역에서 다층구조의 소결메쉬 확산체를 적용한 경우가 보다 좋은 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 지배적인 요인으로는 고전류 영역에서의 이중상 물질전달 측면에서 유리한 것으로 분석되었다. 또한, 소결메쉬 확산체가 단층 보다는 다층의 기공 구배를 갖을 때 IV성능과 물질전달 저항 측면에서 성능 향상을 보였으며, 기공크기 25 ~ 57 µm 범위를 갖는 다층 소결 확산체의 경우는 전기저항이 큰 스테인리스강 임에도 불구하고 니켈메쉬 확산체 (SL-3360 µm) 대비 높은 수전해 성능을 보였다. 단순히 기공크기를 크게 조절하기 보다는 capillary pore가 많아 bubbly flow를 유도하여 생성된 가스 버블을 전극 표면에서 배출할 수 있는 기공크기와 구조를 확산체 내부에 설계하는 것이 중요한 것을 알 수 있었다. 마지막으로, 확산체 표면에 약 2 µm 두께로 니켈, 니켈/몰리브데늄을 코팅한 다층 소결 확산체를 적용하여 무코팅 확산체와 비교하여 IV성능에 미치는 영향을 확인하였다. 코팅 확산체를 양극에 적용 시 IV성능에 대한 영향이 미미하였다. 또한, 고전류 영역에서 물질전달 과전압의 상승으로 전체 셀 성능이 저하되는 현상이 나타났다. 하지만, 동일한 조건으로 코팅한 확산체를 음극에 배치하여 IV성능 평가를 진행하였을 때 활성화 과전압을 줄일 수 있었다. 활성화 과전압의 감소는 니켈과 니켈/몰리브덴 코팅이 수소발생 반응에 좋은 촉매로 작용 한 것을 알 수 있다. 다만, 전해질의 전극으로의 용이한 침투와 생성가스 버블의 배출에 대한 저항은 금속코팅 소재의 표면에너지에 따른 친수도 차이에 따라 좋지 않은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 보다 자세한 물질전달 과전압의 변화에 대해서는 향후 추가적인 메커니즘 분석이 필요할 것으로 사료된다.|Alkaline water electrolysis is widely used in large-scale industrial applications . alkaline water electrolysis systems are durable and exhibit relatively low cost due to the avoidance of noble metals than different water electrolysis technologies. However, its efficiency is lower than other methods of water electrolysis owing to its large overpotential. Therefore, it is necessary to improve the efficiency of alkaline water electrolysis for high efficiency hydrogen energy systems at high current density. The Porous Transport Layer(PTL) is essential to effectively remove oxygen and hydrogen gas from the electrode surface at high current density operation conditions. In this study, the effect of PTL with different characteristics such as pore size, pore gradient, interfacial coating was investigated by multi-layered sintered mesh. A water electrolysis single cell of active area of the 34.56 cm2 was constructed, and IV performance and impedance analysis were conducted in the range of 0 to 2.0 A/cm2 . It was confirmed that the multi-layered sintered mesh PTL, which have an average - 68 - pore size of 25 to 57 µm and a larger pore gradient, removed bubbles effectively and thus seemed to improve IV performance. Also, it was confirmed that the catalytic metals such as Ni, NiMo coating on the PTL reduced activation overpotential, but increased mass transport overpotential.