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고분자 전해질막 연료전지의 내구성에 영향을 주는 주요 파라미터 고찰

전문가 제언: ○ 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 초고유가 시대에 환경친화성 외에 높은 출력밀도와 고효율 그리고 편리성 등으로 앞서 나가고 있다. 그러나 PEMFC의 상업화는 일반의 예상과 달리 늦어지고 있다. PEMFC의 상업화가 늦어지는 데에는 PEMFC의 외적 요인도 있으나 PEMFC의 제조가격과 내구성 문제가 관건이다.

○ 제조가격 문제에는 미국 에너지부(DOE)의 PEMFC 스택 가격 목표 30달러/kWnet 달성을 위하여 백금 사용량이 0.5~0.7㎎ cm-2에서 2010년까지 0.3㎎ cm-2로 떨어질 전망이다. 다음 가공공수가 많고 부피가 큰 바이폴라플레이트의 스테인리스스틸계로의 대체 및 고가 Nafion계 고분자 전해질막의 탄화수소계로의 대체를 위한 연구가 한창이다.

○ 한편 PEMFC의 내구성에는 차량용에 2010년 5,000시간의 DOE 목표가 있다. 본문은 Nafion막 기준의 문헌상 연구자료를 기초로 하여 PEMFC의 내구성에 영향을 주는 주요 파라미터를 이해하기 쉽게 고찰하여 관심 있는 분들에게 큰 도움이 될 것이다. 셀 열화의 원인과 근본적인 메커니즘의 장기성능에 대한 영향이 검토되었으나, 현재 수명의 불만족과 성능 열화의 큰 원인을 불충분한 물 관리로 보았다. 또한 반응물의 공급부족, 셀 부품의 부식과 영하온도에서의 작동도 다루었다.

○ 본문에서는 PEMFC 열화가 부품들 사이의 상호작용으로 복잡하여 내구성의 계량화가 어렵지만, 열화의 두 핵심은 부식과 고분자 전해질막인 Nafion의 화학적 구조 변화라고 결론지었다. 본문은 PEMFC의 고온작동의 유명한 장점은 언급하였으나 부식 심화, 촉매 응집의 단점 소개에 그쳤다. 이는 과거 데이터 이용의 한계이다. 최신기술은 불충분한 물 관리의 근본은 고가 Nafion막의 수소이온 통로에 필요한 습기 공급에서 유래된다고 결론짓고 고온/저습 작동에서 그 해결책을 찾고 있다.

○ 일본은 가정용 PEMFC에 2015년 120oC용 사용을 확정하였다. DOE는 차량용 120oC/저습용 PEMFC의 상용화를 위한 2010년 및 2015년 달성해야 할 구체적 목표를 세워 매년 기술발표 대회를 개최하고 있다.

저자: Wolfgang Schmittinger, Ardalan Vahidi
자료유형: 학술정보