연료전지 (5) 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.. 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 다음
