비귀금속 촉매를 활용한 음이온 교환막 연료전지 다공성 촉매층의 나노 스케일 전산 모델링 및 격자 볼츠만 법을 이용한 유동 현상의 통계학적 분석

Abstract

음이온 교환막 연료전지(Anion Exchange Membrane Fuel Cell)의 시스템 구동에 있어 전기화학 반응에 중추적인 역할을 하는 촉매층(Catalyst Layer)은 미세 구조를 가지는 다공성 매체이다. 본 연구에서는 촉매층 내부 미세 구조의 형상학적 특성과 유동 현상의 분석을 기반으로 한 음이온 교환막 연료전지 시스템 성능을 추정하고 개선하기 위한 방법을 찾기 위하여 확률론적 준-무작위(Quasi-random) 프로세스를 활용하여 비귀금속(Precious Group Metal-free, PGM-free) 촉매가 활용된 촉매층의 나노 스케일 3차원 형상이 전산적으로 모델링 및 시뮬레이션 되었다.

우선적으로, 비균질하고 비등방적인 75 μm의 두께를 가지는 비귀금속 촉매층에서 미세 구조의 물리적 특성을 충분히 반영할 수 있는 대표 요소 체적(Representative Elementary Volume, REV)이 선정되었다. 이 후, 통계적으로 95%이상의 신뢰도를 가진 형상학적 특성과 유동학적 특성의 분석을 위하여 드 무아브르-라플라스 이론(De Moivre-Laplace limit theorem)을 활용한 샘플링 횟수가 선정되었다.

미세 구조를 가지는 촉매층의 형상학적인 특성을 분석하기 위해 비표면적(Specific Surface Area, SSA)이 수치적으로 분석되었고, 이 후 형상학적으로 모델링된 서로 다른 40개의 표본 모델에 대하여 전기화학적 반응에 필요로 되는 형상학적 기반의 유효 거동 경로가 분석되었다. 구성물들이 인접하게 형성되어 있어 상호 연결되어 유효하게 전달이 가능한 거동 경로가 판단되었고, 이를 기반으로 비귀금속 촉매 표면에서 발생하는 촉매 활성 효과를 분석하기 위해 형상학적 기반의 유효 촉매 활용도(Morphology based-Effective Catalyst Utilization Factor)가 촉매 활용의 지표로 활용되었다.

최종적으로, 격자화 된 촉매층으로 유입되는 반응 가스의 유동 현상의 효과를 추정하기 위해 촉매층 단면에 대하여 BGK 충돌항을 이용한 2차원 9개의 속도 방향을 가지는 D2Q9 격자 볼츠만 법(Lattice Boltzmann Method)을 활용하였다. 나노 스케일의 미세 구조를 가지는 연료전지 촉매층에서 실제 반응 가스의 유동은 Dead-end pore의 존재로 반응 가스가 유입될 수 있는 유효 기공 영역을 충분히 활용할 수 없는 것으로 추정되었다. 그로 인해 형상학적으로 추정된 촉매 표면에서의 촉매 활성보다 실제 반응 가스가 유입되었을 때 촉매 표면에서 발생하는 촉매 활성은 보다 낮게 나타날 것으로 추정된다.