연구진이 개발한 센싱 물질을 사용한 수소연료전지의 성능 저하 분석을 나타낸다. (A, B)는 연구진이 개발한 전극 센서 이미지 및 부반응 감지 모니터링, (C)는 일정한 전류 밀도에서 얻은 연료전지 전압 곡선, (D, E)는 센서에서 얻어진 RGB 곡선, (F)는 연구진이 밝혀낸 연료전지의 새로운 부반응 메커니즘, (G, H)는 센서의 색상 변화 곡선, (I, J)는 센서의 채도 변화 곡선을 각각 보여준다. 켄텍 제공

한국에너지공대(총장 윤의준·켄텍)는 에너지공학부 김형준 교수가 고분자전해질연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)에 발생하는 반응을 모니터링하는 분석 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

켄텍에 따르면 해당 연구는 한국에너지기술연구원 (원장 이창근) 기후변화연구본부 광주친환경에너지연구센터 우상혁 박사(선임연구원)와의 공동연구로 진행됐다.

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 해석해 보여주게 되고, 이 값을 통해서 어떤 부반응에 의해 연료전지의 성능이 감소하게 되는지 원인을 알 수 있다.

특히 연료전지 시스템에서 전극 내의 산성이나 염기성이 일정하게 유지되지 않을 경우, 성능의 저하가 직접적으로 나타난다는 것을 확인했다.

예를 들면, 양이온교환막 연료전지 음극 센싱 물질을 통해서 수산화 라디칼 및 과산화수소가 생성이 되는 것을 확인했고, 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 내표지논문으로 선정돼 “Indicator sensor development and fuel cell degradation imaging”이라는 제목으로 전세계에 발표될 예정이다.

이 성과는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 선도연구센터지원사업 (탄소중립형 물-에너지 통합시스템 선도연구센터)과 미래수소원천기술개발사업 (고효율 수소 추출을 위한 대용량 수계 암모니아 전해 시스템 개발)의 지원을 받아 수행된 연구다.