수소 연료 전지 제조 분야에서 막 전극 어셈블리(MEA)는 에너지 변환의 핵심 부품으로, 배터리의 효율과 수명을 직접적으로 결정합니다. 열전달을 이용한 MEA 생산의 첫 번째 단계는 촉매 슬러리 혼합으로, 최종 제품 품질에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 이 공정에서는 Pt-C 촉매, 용매 및 결합제를 정밀하게 혼합하여 균일하게 분산된 안정적인 혼합물을 만들어야 합니다.
기존의 혼합 방식은 각 성분의 비율과 분산 상태를 정밀하게 제어하기 어려워 코팅 불균일 및 후속 공정에서의 촉매 활성 저하와 같은 문제를 야기합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 방식이 개발되었습니다.인라인 밀도계 이 기술은 슬러리 밀도 변화를 실시간으로 모니터링하여 구성 요소 비율 및 분산 효과를 정밀하게 조절할 수 있는 획기적인 솔루션을 제공합니다.
선도적인 인라인 밀도계 제조업체이자 공급업체인 론미터 그룹(Lonnmeter Group)은 수십 년 동안 전 세계 고객에게 전문적인 솔루션을 제공해 왔습니다. 이러한 솔루션은 수많은 산업 공장, 발전소 및 제철소에서 비용 절감과 효율성 향상에 기여해 왔습니다.
슬러리 혼합의 핵심적인 역할
수소 연료 전지 MEA의 성능은 촉매 슬러리의 균일성과 안정성에 크게 좌우됩니다. 예를 들어, 양극 슬러리는 40% 탈이온수, 40% 메탄올, 5% 이오노머 용액의 혼합 용매에 15% Pt-C 촉매가 균일하게 분산되어야 합니다. 음극 슬러리는 더 높은 비율의 촉매(20%)와 바인더(10%)를 필요로 합니다. 이러한 정확한 비율은 슬러리의 물리적 특성에 영향을 미칠 뿐만 아니라 촉매 활성 부위의 분포와 양성자 전도도에도 직접적인 영향을 미칩니다.
밀도 제어가 제대로 되지 않으면 촉매 응집이나 침전이 발생하여 코팅된 촉매의 두께가 고르지 않게 되고, 결과적으로 배터리 성능이 저하될 수 있습니다. 예를 들어, 밀도가 너무 높으면 촉매나 용매가 과도하게 증발하여 슬러리 점도가 증가하고 코팅 과정에서 "오렌지 껍질"이나 "핀홀"과 같은 결함이 발생할 수 있습니다. 반대로 밀도가 너무 낮으면 촉매가 부족하여 적절한 반응 부위를 제공하지 못하고 배터리 효율이 떨어질 수 있습니다.
기존 슬러리 밀도 제어 방식의 한계
기존의 촉매 슬러리 혼합 방식은 수동 계량과 1차 공정에서의 오프라인 테스트에 의존합니다. 이러한 접근 방식은 실시간 공정에 비해 크게 뒤처지는데, 샘플링을 통한 테스트 결과를 얻는 데 보통 15~30분이 소요되며, 그 사이에 슬러리가 다음 공정으로 넘어가 상당한 재작업 낭비가 발생합니다.
수동 작업으로는 나노 크기 촉매 입자의 응집 현상을 감지하기 어렵습니다. 또한 온도 변화 및 용매 증발과 같은 요인으로 인해 슬러리의 밀도가 동적으로 변동하는데, 기존 공정으로는 이를 실시간으로 보정할 수 없어 품질 불안정 위험이 더욱 커집니다.
작동 원리 및 기술적 장점
이러한 문제들을 해결하기 위해 론미터(Lonnmeter) 엔지니어들은 코리올리 힘 원리를 기반으로 하는 인라인 밀도계를 개발했습니다. 이 밀도계는 유체의 진동 주파수를 측정하여 ±0.001 g/cm³의 정밀도로 실시간 밀도 데이터를 얻을 수 있습니다. 수소 연료 전지의 슬러리 혼합 공정에서 이러한 고정밀 모니터링 장치는 혼합 탱크 또는 순환 파이프라인의 출구에 설치하여 밀도 및 온도 데이터를 지속적으로 수집할 수 있으며, 온도 변화가 밀도에 미치는 영향을 보정하는 알고리즘을 적용할 수 있습니다.
론미터는 코리올리스 밀도계 외에도 튜닝 포크 밀도계, 초음파 밀도계 등 다양한 인라인 밀도계를 개발하여 여러 작업 조건에 맞는 지능형 밀도 모니터링 센서를 제공합니다. 음극 슬러리 밀도가 목표값을 초과하면 시스템은 자동으로 편차를 계산하고 계량 펌프를 통해 적절한 양의 용매를 첨가합니다. 밀도가 너무 낮으면 사전 분산된 촉매 모액을 첨가합니다. 이러한 동적 루프 제어는 배합 편차를 수정할 뿐만 아니라 과거 데이터 분석을 통해 잠재적인 문제를 예측합니다. 밀도 변동이 임계값을 초과하면 시스템은 경보를 울려 불균일 분산이나 상 분리 가능성을 알려주고 배치 품질 사고를 방지합니다.
연속 밀도 모니터링 결과
연료 전지 안정성 향상
론미터(Lonnmeter) 인라인 밀도계는 연료전지 제조업체들이 촉매 슬러리 혼합 분야에서 획기적인 발전을 이루도록 지원해 왔습니다. 실시간 모니터링과 지능형 제어를 통해 슬러리 밀도 변동 범위를 ±0.03 g/cm³에서 ±0.001 g/cm³로 대폭 줄였습니다. 이러한 개선은 제품의 일관성과 성능 안정성을 직접적으로 향상시켜 한 기업의 연료전지 출력 밀도를 15% 증가시켰습니다.
생산 효율이 크게 향상되었습니다.
단일 배치 생산 시간이 단축되어 재료비와 재작업비에서 연간 30만 달러 이상을 절감할 수 있었습니다. 또한, 인라인 밀도계를 적용하여 전체 공정을 최적화했습니다. DCS 시스템과 통합함으로써 배합 관리부터 품질 추적까지 모든 과정을 디지털화하여 대규모 수소 연료 전지 생산을 위한 기반을 마련했습니다.
수소 에너지 산업에 있어 심오한 의미
청정에너지의 핵심 전달체인 수소 연료전지는 성능 향상과 비용 절감이라는 두 가지 과제에 직면해 있습니다. 인라인 밀도 측정 기술의 적용은 MEA 생산의 핵심 공정 문제를 해결할 뿐만 아니라 수소 에너지 산업 전체의 기술 발전을 촉진합니다.
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게시 시간: 2025년 6월 6일
