배터리기술 (46) 썸네일형 리스트형 연료전지 차량용 수소저장탱크의 복합재료 설계 및 안전성 평가 탄소섬유 강화 복합재료의 적층 구조와 압력용기 설계 원리수소연료전지 차량의 핵심 구성요소인 수소저장탱크는 700bar라는 극고압 환경에서 안전하게 수소를 저장해야 하는 까다로운 요구사항을 만족해야 합니다. 이러한 극한 조건을 견디기 위해 현재 Type IV 압력용기가 주로 사용되고 있으며, 이는 플라스틱 라이너 위에 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 다층으로 감싼 구조로 설계됩니다. 탄소섬유 복합재료의 적층 설계에서 가장 중요한 요소는 섬유 배향각의 최적화입니다. 원주방향(90도), 나선방향(±55도), 축방향(0도)으로 섬유를 배치하여 후프응력과 축방향응력을 효과적으로 분산시킵니다. 특히 원통형 압력용기에서는 후프응력이 축방향응력의 2배로 발생하기 때문에, 원주방향 섬유의 비율을 높여 설계하는 것이 .. 수전해-연료전지 연계 시스템의 에너지 효율 최적화 전략 수전해-연료전지 연계 시스템의 열역학적 효율 한계와 분석수전해와 연료전지로 구성된 Power-to-Power(P2P) 시스템의 이론적 효율 한계는 각 구성요소의 열역학적 제약으로부터 도출됩니다. 수전해 과정에서 물의 분해는 ΔH° = 285.8 kJ/mol(고발열량 기준)의 엔탈피 변화를 가지며, 이상적인 전기화학적 전압은 1.229 V입니다. 그러나 실제 시스템에서는 활성화 과전압, 옴 손실, 농도 과전압으로 인해 1.8-2.2 V의 전압이 필요하며, 이는 현실적인 수전해 효율을 65-80% 범위로 제한합니다. 연료전지 모드에서는 역반응이 일어나며, 이론적 개방회로 전압(OCV)은 1.229 V이지만 실제 운전 전압은 0.6-0.8 V에 불과합니다. 이는 cathode에서의 산소환원반응(ORR) 과전압.. 연료전지 스택의 체결압력이 성능과 내구성에 미치는 영향 체결압력과 접촉저항 간의 전기기계학적 상관관계연료전지 스택에서 체결압력(clamping pressure)은 모든 구성 부품 간의 전기적 접촉을 확보하고 기체 누설을 방지하는 핵심 운전 변수입니다. 접촉저항(contact resistance)과 압력 사이의 관계는 Hertzian contact theory와 percolation theory의 조합으로 설명되며, 일반적으로 R_contact ∝ P^(-n) (n = 0.5-0.8)의 power law를 따릅니다. PEMFC 스택에서 전형적인 압력 범위인 0.5-2.0 MPa에서 bipolar plate와 GDL(Gas Diffusion Layer) 사이의 접촉저항은 10-100 mΩ·cm² 범위에 있으며, 압력이 2배 증가할 때 접촉저항은 약 30-40% .. 알칼리 연료전지용 비백금 산소환원 촉매의 활성점 설계 알칼리 환경에서 산소환원반응 메커니즘과 활성점 요구조건알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)에서 산소환원반응(ORR)은 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (E° = 0.401 V vs. SHE)의 경로를 따르며, 산성 환경과는 근본적으로 다른 반응 메커니즘을 보입니다. 알칼리 조건에서는 OH⁻ 이온의 높은 농도로 인해 수소결합 네트워크가 강화되고, 이는 O-O 결합 절단과 중간체 안정화에 유리한 환경을 제공합니다. 또한 알칼리 환경에서 대부분의 금속 산화물들이 전기화학적으로 안정하므로, 산성 환경에서 사용하기 어려운 다양한 비백금 촉매들의 활용이 가능합니다. ORR의 반응 경로는 4전자 직접 환원(O₂ → OH⁻)과 2전자 단계별 환원(O₂ → HO₂⁻ → OH⁻)으로 구.. 고체산화물 연료전지(SOFC) 음극재의 탄소 침적 저항성 개선 탄소 침적 반응 메커니즘과 열역학적 구동력 분석고체산화물 연료전지에서 탄소 침적은 탄화수소 연료의 열분해로 인해 발생하는 가장 심각한 음극 열화 현상입니다. 주요 탄소 형성 반응은 메탄 크래킹 반응(CH₄ → C + 2H₂, ΔH° = +75 kJ/mol), Boudouard 반응(2CO → C + CO₂, ΔH° = -171 kJ/mol), 그리고 CO 불균등화 반응(CO + H₂ → C + H₂O, ΔH° = -131 kJ/mol)으로 분류됩니다. 이러한 반응들의 열역학적 평형은 온도와 기체 조성에 의해 결정되며, 특히 800-1000°C의 SOFC 운전 온도에서 메탄 분해가 thermodynamically favorable해집니다. Ellingham diagram 분석에 따르면 니켈 표면에서 탄소.. 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 메탄올 크로스오버 억제 기술 메탄올 크로스오버 현상의 물리화학적 메커니즘직접메탄올 연료전지에서 메탄올 크로스오버는 연료인 메탄올이 양성자 교환막을 통해 음극에서 양극으로 투과되는 현상으로, 이는 DMFC의 성능을 크게 제한하는 주요 문제입니다. 크로스오버의 주된 구동력은 농도 구배에 의한 확산(diffusion)과 전기삼투(electroosmosis)이며, 이 두 메커니즘의 상대적 기여도는 운전 조건과 막의 특성에 따라 달라집니다. Fick's first law에 따르면 메탄올 플럭스는 J = -D(dC/dx)로 표현되며, 여기서 D는 막 내에서의 메탄올 확산계수, dC/dx는 농도 구배입니다. Nafion과 같은 perfluorinated 막에서 메탄올의 확산계수는 온도와 수화도(hydration level)에 크게 의존합니다. .. 고온 PEMFC용 폴리벤즈이미다졸 전해질막의 인산 도핑 최적화 폴리벤즈이미다졸의 분자구조와 인산 상호작용 메커니즘폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazole, PBI)은 방향족 heterocyclic polymer로서 벤즈이미다졸 고리의 질소 원자를 통해 강산과 산-염기 상호작용을 형성할 수 있는 독특한 구조적 특성을 가지고 있습니다. PBI 분자 내의 이미다졸 질서(imidazole ring)는 두 개의 질소 원자를 포함하고 있으며, 이 중 하나는 수소와 결합된 NH기(pyrrole-type nitrogen)이고 다른 하나는 lone pair를 가진 N기(pyridine-type nitrogen)입니다. 이러한 amphoteric 특성으로 인해 PBI는 산성 환경에서 protonation되어 이온 전도성을 발현할 수 있습니다. 인산(H₃PO₄)과 PBI 사.. PEMFC 백금 촉매의 합금화를 통한 활성 향상 백금 촉매의 전기화학적 반응 메커니즘과 활성 제한 요인고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에서 백금 촉매는 수소 산화반응(Hydrogen Oxidation Reaction, HOR)과 산소 환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)을 동시에 촉매하는 핵심 역할을 담당합니다. 음극에서 일어나는 HOR은 H₂ → 2H⁺ + 2e⁻의 비교적 빠른 반응이지만, 양극의 ORR은 O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O로 4전자 전달을 포함하는 복잡한 반응입니다. ORR의 반응 속도가 전체 전지 성능을 제한하는 주요 요인이며, 이론적 전위(1.23V)와 실제 작동 전위(0.6-0.8V) 사이의 큰 차이인 과전압(overpotential)이 발생합니다. 백금 표면에서 ORR은 두 가지 경로를 .. 이전 1 2 3 4 5 6 다음
