수소에너지의 활용이 가시화 되면서 연료전지에 관한 연구가 한창 진행 중인 가운데, 국내의 연구진이 지금까지 난제로 알려진 연료전지의 성능 저하와 원인을 직접 확인할 수 있는 새로운 기술을 개발해 많은 관심을 받고 있다.

한국에너지공대 (총장 윤의준, KENTECH)는  에너지공학부 김형준 교수가 고분자전해질연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)에 발생하는 반응을 모니터링하는 분석 기술을 개발하였다고 밝혔다. 이 연구는 한국에너지기술연구원 (원장 이창근) 기후변화연구본부 광주친환경에너지연구센터 우상혁 박사(선임연구원)와의 공동연구로 진행되었다.

고분자전해질연료전지는 양성자를 이동시키는 전해질막을 이용해 전기를 만드는 양이온교환막 연료전지와 수산화 이온을 전달하는 전해질막을 이용하는 음이온교환막 연료전지가 있다.

이들 고분자전해질연료전지가 상용화되기 위해서는 장시간 성능이 유지되는 안정성이 필요하며, 또한 연료전지에 이상이 발생하는 경우 원인을 실시간으로 분석하는 고도 기술이 필수적이다.

이번 연구에서 개발된 기술은 고분자전해질연료전지 전극 내에 부반응을 확인할 수 있는 지름 0.5 cm 크기의 새로운 센싱 물질을 포함시켜 그 결과를 RGB (red, green, blue)의 수치로 해석하여 보여주게 되고, 이 값을 통해서 어떤 부반응에 의하여 연료전지의 성능이 감소하게 되는지 원인을 알 수 있다.

특히 연료전지 시스템에서 전극 내의 산성이나 염기성이 일정하게 유지되지 않을 경우, 성능의 저하가 직접적으로 나타난다는 것을 확인하였다. 예를 들면, 양이온교환막 연료전지 음극 센싱 물질을 통해서 수산화 라디칼 및 과산화수소가 생성이 되는 것을 확인하였고, 음이온교환막 연료전지 음극과 양극 양쪽에서 양성자가 생성되는 새로운 반응도 규명했다.

이번에 개발된 센싱 물질 및 분석 기술은 추후 수소전기차에 탑재되는 연료전지의 분석 수단 및 고장 진단기로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 수전해 시스템에서도 이용이 가능하다는 것이 연구진의 설명이다.

개발된 연구 결과는 화학 및 응용물리학 분야 세계적 권위지인 Advanced Functional Materials (impact factor: 19.92) 11월에 내표지논문(Inside Front Cover)으로 선정되어 “Indicator sensor development and fuel cell degradation imaging”이라는 제목으로 전세계에 발표될 예정이다.

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