티타늄이 함유된 막은 물에서 수소를 만들 때 높은 산성도를 견뎌낸다

청정 에너지 분야에 새로운 경쟁자가 등장하고 있습니다. 바로 물 분자를 분해하여 녹색 수소를 생산하는 전기분해입니다.

전 세계 국가들이 철강 제조 및 정유와 같은 에너지 집약적 산업의 탈탄소화를 추진함에 따라 전해조는 수십억 달러의 인프라 투자를 유치하고 있습니다.

국제 에너지 기구의 예측에 따르면, 정부와 산업계가 기후 변화 대응 의지를 충족하기 위한 노력을 강화함에 따라 전 세계 전기분해 용량은 2023년 3기가와트에서 2030년 170~365기가와트로 급증할 것으로 예상됩니다.

양성자 교환막(PEM) 전해조는 재생 에너지를 사용하여 물을 분해하여 생산되는 가장 지속 가능한 형태의 수소인 녹색 수소를 생성하는 데 앞장서는 기술입니다.

일본 요코하마에 본사를 둔 Toho Titanium Company의 이사 겸 부사장인 노리오 유키는 "PEM 수전해는 태양광이나 풍력과 같은 가변적인 전력원을 사용하더라도 고순도 수소를 생성하는 데 탁월합니다."라고 말했습니다.

PEM 전해조는 물 전기분해 중에 생성된 수소와 산소 가스를 분리하기 위해 얇은 반투과성 폴리머를 사용합니다. 그러나 PEM 전해조로 수소 생산을 확장하는 데 있어 주요 장애물은 작동하는 가혹한 산성 환경으로 인한 재료 열화입니다.

유키는 "막의 수소 이온에 대한 선택적 투과성으로 인해 양극 측 환경은 강산성이며 pH는 거의 0이므로 부식성이 매우 높습니다."라고 말합니다.

티타늄은 이처럼 극한의 조건을 견딜 수 있는 몇 안 되는 금속 중 하나입니다.

이제 Toho Titanium은 티타늄의 뛰어난 내식성과 효율적인 가스 및 액체 운송에 필요한 견고하고 다공성 구조를 결합한 획기적인 소재인 WEBTi™를 출시했습니다.

WEBTi를 사용하여 PEM 전해조를 업그레이드하면 수소 생산의 효율성과 수익성을 크게 개선할 수 있습니다. 이는 Toho Titanium이 WEBTi를 기가와트 규모로 생산한다는 계획에서도 뒷받침됩니다.

얇은 것이 들어가다

다공성 티타늄은 주로 양극 쪽 PEM 전해조에서 사용되며, 일반적으로 촉매 층 옆에 삽입된 고밀도 섬유질 재료인 티타늄 펠트의 형태를 띱니다. 전도성을 높이기 위해 백금으로 코팅된 티타늄 펠트는 다공성 수송층(PTL) 역할을 하여 물 수송, 산소 제거 및 전자 흐름을 용이하게 합니다. 그러나 PTL의 설계를 최적화하는 것은 구조적 무결성과 질량 수송의 균형을 맞춰야 하기 때문에 어렵습니다.

복잡한 거미줄 같은 구조에서 이름을 따온 WEBTi는 녹색 에너지 응용 분야에서 티타늄의 잠재력을 활용하기 위해 10년 가까이 개발된 결과물입니다. 티타늄 분말 페이스트를 가열하여 두께가 0.04~0.25mm에 불과한 시트를 형성하여 생산합니다. 이는 기존 티타늄 펠트(0.25~5.0mm)보다 상당히 얇습니다.

WEBTi는 독특한 미세 구조를 가지고 있습니다. 주사 전자 현미경(SEM) 이미징은 35-55%의 다공성을 가진 불규칙한 모양의 입자와 마이크로미터 규모의 기공으로 이루어진 표면 네트워크를 보여줍니다. 이 구조는 넓은 표면적과 효율적인 가스 및 액체 수송이 필요한 응용 분야에 최적화되어 있어 PEM 전해조에서 사용하기에 이상적입니다.

표면에 약간의 질감이 있지만, 높이의 변화가 거의 없이 놀라울 정도로 고릅니다. 이 매끄러움은 셀 구성 요소가 층으로 단단히 쌓여 있는 PEM 전해조 제조 중에 매우 중요합니다.

"PTL 표면이 거칠면 전해질 막이 손상될 수 있습니다."라고 유키는 설명합니다. "하지만 WEBTi의 높은 표면 매끄러움은 손상 위험을 크게 줄여줍니다." 이러한 향상은 전해질 막의 내구성과 스택의 전반적인 신뢰성을 모두 개선합니다.

WEBTi의 장점은 성능을 넘어 티타늄 및 기타 값비싼 귀금속의 사용을 최소화하여 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. 얇은 프로필은 티타늄의 재료 요구 사항을 줄이고 높은 매끄러움은 촉매와의 접촉 면적이 크기 때문에 백금 코팅의 양을 줄일 수 있습니다.

"업계의 지속적인 과제는 백금족 금속의 사용을 줄이는 것입니다."라고 유키는 설명합니다. "WEBTi의 더 얇은 프로필은 우리가 그 방향으로 나아가는 데 도움이 됩니다."

순조로운 성공

Toho Titanium의 재료 과학 연구원인 Yosuke Inoue는 WEBTi의 복잡한 미세 구조를 엔지니어링하는 과제를 강조합니다. SEM 이미지는 세 가지 뚜렷한 변형을 보여줍니다. 가장 얇은 WEBTi-K는 0.04~0.25mm 범위이며 높은 매끄러움을 가진 작고 상호 연결된 기공이 특징입니다. 이와 대조적으로 0.3~2.0mm 범위의 WEBTi-T는 Inoue에 의해 "가스 및 액체 투과성, 강도 및 기공 크기 측면에서 잘 균형 잡혔습니다."라고 설명했습니다.

마지막으로, 0.2~5.0mm 크기의 WEBTi-S는 막대 모양의 입자가 얽혀 큰 공극을 형성하는 특수한 섬유 구조를 보입니다.

이노우에에 따르면, 분말 형태는 WEBTi의 성능에 중요한 역할을 합니다. 다각형의 각진 입자는 고온에서 가열하는 동안 가장자리에서 연결을 형성하여 견고하고 다공성 구조를 만듭니다. 이 독특한 결합 메커니즘은 입자가 분리되는 것을 방지하여 WEBTi가 전해질 막을 손상시키지 않고도 압축을 견딜 수 있는 내구성 있는 시트를 형성할 수 있도록 합니다.

이노우에에 따르면 "결합은 고온에서 금속 확산을 통해 발생합니다." "그래서 입자 간의 연결이 매우 강하고 분리되지 않습니다."

WEBTi의 매끄러움을 제어하는 ​​것은 개발에서 가장 어려운 측면이었지만, 가장 큰 잠재적 보상이 있는 측면이기도 했다고 이노우에가 말했습니다. 더 매끈한 PTL 층은 WEBTi와 산소 촉매 층 사이의 접촉 면적을 늘려 물 분해 반응을 향상시킵니다. 또한, 더 매끈한 PTL 표면은 더 얇은 폴리머 멤브레인을 사용할 수 있게 해줍니다. 이는 전기 분해의 에너지 손실을 줄일 수 있는 개발입니다.

"전해질 막의 저항으로 인한 손실은 PEM 수전해에서 전력 손실의 상당 부분을 차지합니다."라고 유키는 설명합니다. "우리는 막을 얇게 하면 이러한 손실을 크게 줄이고 시스템의 전반적인 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다고 믿습니다."

기회의 웹

특히 WEBTi-K의 잠재력을 인식하고, 급성장하는 거대시장에 진출하기 위해 Toho Titanium은 조기 상용화를 위한 노력을 가속화하고 있습니다. 여기에는 대규모 수소 프로젝트와 기타 친환경 에너지 응용 분야에서 소재가 인기를 얻으면서 예상되는 수요 급증에 부응하기 위한 견고한 공급 시스템을 구축하는 것이 포함됩니다.

Toho Titanium은 최근 1기가와트의 전해 용량을 지원하는 대량 생산 공장을 건설하기로 약속했습니다. 이 시설은 2026년 초에 가동될 예정입니다. PEM 수전해 시장이 2030년까지 기하급수적으로 성장할 것으로 예상됨에 따라 이 회사는 새로운 시설을 미래 수요를 충족하는 데 중요한 단계로 보고 있습니다.

"WEBTi는 수소 생산과 에너지 집약 산업에 전력을 공급하기 위해 탄소 중립 사회에 대한 우리의 헌신의 핵심입니다."라고 Yuki는 말합니다. "생산 규모를 확대하면서 재생 에너지 입력에 가장 적합한 고성능 소재의 안정적인 공급에 집중하고 있습니다. 이는 녹색 수소를 지속 가능하게 만드는 데 중요한 구성 요소입니다."