양극판: 연료 전지의 "중추"이자 "고속도로"

복잡하고 난해한 내부 세계에서 연료 전지, 막전극접합체가 발전의 "심장"이라면, 양극판 배터리 구조 전체를 지탱하는 "척추"이자 생명 유지 요소의 원활한 흐름을 보장하는 "고속도로"입니다.

겉보기에 단순해 보이는 이 부품은 실제로 연료 전지 스택의 출력, 효율, 그리고 수명을 결정하는 데 매우 중요합니다. 단순한 구조적 부품이 아니라, 유동장 분배, 전기 전도, 열 전도 등 여러 기능을 통합하는 핵심 부품입니다. 재료적 관점에서 양극판의 개발은 여러 단계를 거쳐 왔으며, 각 단계마다 명확한 장단점이 있습니다. 가장 먼저 널리 사용된 재료는 흑연이었습니다. 흑연은 뛰어난 전기 전도성과 뛰어난 내식성을 제공하여 연료 전지 내부의 산성 환경에서 발생하는 장기적인 문제를 완벽하게 견뎌낼 수 있도록 합니다.

그러나 흑연 분리판은 본래 취성으로 인해 가공 및 조립 과정에서 손상되기 쉽습니다. 또한, 충분한 기밀성을 확보하기 위해 상대적으로 두껍게 만들어야 하는 경우가 많아 연료 전지 스택의 체적 출력 밀도가 제한됩니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 스테인리스강이나 티타늄 합금을 주로 사용하는 금속 분리판이 등장했습니다. 금속 분리판의 가장 큰 장점은 높은 기계적 강도와 뛰어난 전기 및 열 전도성으로, 매우 얇게 제작할 수 있어 연료 전지 스택을 더욱 소형화하고 더 높은 출력 밀도를 달성할 수 있다는 것입니다. 그러나 금속은 연료 전지 작동 환경에서 심각한 부식 문제에 직면합니다. 부식되면 접촉 저항이 증가하여 효율이 저하될 뿐만 아니라, 금속 이온의 용출로 인해 촉매가 오염될 수도 있습니다.

따라서 금, 백금 또는 탄소 기반 코팅과 같은 내식성 코팅을 표면에 적용해야 하며, 이는 제조 비용과 공정 복잡성을 증가시키는 것은 의심의 여지가 없습니다. 최근 몇 년 동안 복합 재료 바이폴라 플레이트가 새로운 연구 방향으로 부상했습니다. 바이폴라 플레이트는 일반적으로 흑연이나 카본 블랙과 같은 전도성 필러를 폴리프로필렌과 같은 고분자 수지와 혼합하여 사출 성형으로 제작됩니다. 흑연의 내식성과 플라스틱의 성형성을 결합하여 대량 생산을 용이하게 하고 경량화에 이점을 제공합니다. 그러나 전기 전도성과 기계적 강도는 일반적으로 흑연과 금속의 중간 수준으로, 현재 기술에서 중요한 절충안을 나타냅니다. 바이폴라 플레이트의 작동 모드는 병렬 멀티태스킹의 패러다임이며, 그 기능은 세 가지 측면으로 요약할 수 있습니다. 주요 기능은 반응 가스를 채널링하는 것입니다. 한쪽 면에 정밀 가공된 유로를 통해 마치 소형 "고속도로"처럼 수소 연료를 양극 촉매층으로, 산화제(공기 중 산소)를 음극 촉매층으로 고르게 전달하여 전체 반응 영역이 효율적으로 발전에 참여하도록 합니다. 동시에, 이러한 유로 설계는 매우 과학적입니다. 균일한 가스 분포를 보장하고, 사각지대를 피하며, 반응으로 생성된 물을 효과적으로 제거하여 유로를 막을 수 있는 "플러딩(flooding)"을 방지해야 합니다. 두 번째 핵심 기능은 전류를 수집하고 전도하는 것입니다. 양극판은 집전체 역할을 하여 각 막 전극 접합체(단일 셀)에서 생성된 전류를 모으고, 고유의 높은 전도성을 통해 셀들을 직렬로 연결하여 궁극적으로 필요한 전압과 전력을 출력합니다. 양극판 소재의 전기 전도도는 이 과정에서 내부 저항 손실을 직접적으로 결정합니다. 세 번째 핵심 역할은 방열 및 수분 관리입니다.

연료 전지 반응은 열을 발생시킵니다. 열 전도 경로 역할을 하는 바이폴라판은 스택을 적절한 작동 온도 범위로 유지하기 위해 이 열을 신속하게 제거해야 합니다. 한편, 캐소드 전극에서 생성된 물은 과도한 공기 흐름에 의해 부분적으로 제거되는데, 바이폴라판의 유동장 설계 및 친수성/소수성 처리는 이 물을 효과적으로 제거하는 데 매우 중요합니다. 따라서 바이폴라판의 성능은 연료 전지 스택의 전체 효율을 직접적으로 결정합니다.

이상적인 바이폴라 플레이트는 전도성과 내식성, 강도와 두께, 가스 흐름과 물 관리, 제조 비용, 그리고 수명 간의 최적의 균형을 이루어야 합니다. 흑연, 금속 또는 복합 소재 등 어떤 소재로 제작되든, 개발 목표는 변함없이 동일합니다. 바로 더 낮은 비용과 더 안정적인 성능으로 연료 전지의 광범위한 상용화 가능성을 지원하는 것입니다. 바이폴라 플레이트 기술의 모든 발전은 연료 전지의 광범위한 도입을 향한 중요한 발걸음이라고 할 수 있습니다.