정밀한 물리적 성형이 필수적인 이유는 가스 확산층(GDL)의 내부 구조, 특히 기공률과 기공 분포를 결정하기 때문입니다. 이 정확성이 없으면 GDL은 촉매로 반응물 가스를 전달하는 동시에 액체 물 부산물을 배출하는 상반된 요구 사항을 효과적으로 관리할 수 없습니다.
GDL의 최적화는 특정 구조적 균형에 달려 있습니다. 즉, 시스템에서 물이 빠져나가는 것을 막지 않고 연료가 들어갈 수 있는 경로를 만드는 것입니다.
핵심 과제: 반응물과 부산물의 균형
GDL의 주요 기능은 물질 전달이지만, 동시에 두 가지 상반된 흐름을 처리해야 합니다.
기공률 제어
정밀 성형은 재료 내의 정확한 밀도와 열린 공간을 결정합니다. 이 기공률은 유체가 층을 통해 얼마나 쉽게 이동하는지를 제어하는 주요 변수입니다.
소수성 vs. 친수성 채널
이 공정은 물을 밀어내는(소수성) 경로와 물을 끌어당기는(친수성) 경로의 비율을 설정합니다. 가스 흐름을 막지 않고 물을 반응 지점에서 멀리 유도하려면 정밀한 균형이 필요합니다.
고부하 시 성능 향상
연료 전지가 높은 전류 밀도로 작동할 때 정밀도의 필요성이 크게 증가합니다.
전극 침수 방지
물질 전달 경로를 최적화함으로써 정밀 성형은 기공 내에 액체 물이 축적되는 것을 방지합니다. 이 전극 침수 방지는 물 생산량이 가장 많을 때 전압 출력을 유지하는 데 중요합니다.
두께 및 미세 기공 분포
층의 두께와 미세 기공 분포에 대한 정확한 제어는 셀 전체의 균일성을 보장합니다. 이는 특정 영역의 촉매에 연료가 부족해질 수 있는 국소적인 병목 현상을 방지합니다.
기계 학습 통합
현대의 최적화는 물리적 처리와 기계 학습 모델을 결합하는 경우가 많습니다. 이를 통해 연구원들은 물리적 제작 전에 최대 효율을 위해 맞춤 설계된 특정 다공성 구조를 설계할 수 있습니다.
절충점 이해
정밀도가 필요하지만 재료 설계의 내재된 충돌을 관리해야 합니다.
가스 대 물 충돌
가스 전달에 유리하도록 구조가 너무 개방적(높은 기공률)이면 물을 제거하는 데 필요한 모세관 압력을 잃을 수 있습니다. 반대로, 물 제거만을 엄격하게 최적화하면 반응물 가스의 흐름이 제한될 수 있습니다.
부정확성의 위험
성형 공정에 정확성이 부족하면 미세 기공 분포가 설계된 대로가 아닌 무작위가 됩니다. 이는 최대 전력 수요 시 예측할 수 없는 성능 저하와 전압 불안정으로 이어집니다.
목표에 맞는 올바른 선택
필요한 성형 정밀도 수준은 연료 전지 스택의 작동 요구 사항에 따라 다릅니다.
- 주요 초점이 고전류 밀도라면: 침수를 적극적으로 방지하기 위해 소수성 채널 및 미세 기공 분포 최적화에 우선순위를 두세요.
- 주요 초점이 반응물 전달이라면: 가스가 촉매층으로 효율적으로 확산되도록 전체 기공률 및 두께 제어에 집중하세요.
정밀 성형은 GDL을 단순한 재료 시트에서 엔지니어링된 유동장으로 바꿉니다.
요약 표:
| 최적화 요소 | GDL 성능에 미치는 영향 | 기술적 이점 |
|---|---|---|
| 기공률 제어 | 유체 이동 밀도 결정 | 효율적인 반응물 가스 전달 보장 |
| 기공 분포 | 물 축적 방지 | 고부하 시 전극 침수 방지 |
| 두께 정확도 | 층 균일성 보장 | 국소적인 연료 병목 현상 제거 |
| 채널 엔지니어링 | 소수성/친수성 경로 균형 조절 | 가스 및 물의 이중 흐름 전달 유지 |
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참고문헌
- Mostafa Delpisheh, Mohamed Mamlouk. Leveraging machine learning in porous media. DOI: 10.1039/d4ta00251b
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