[전문가 Q & A] 최적의 연료전지시스템 성능을 위한 주요 고려사항

[월간수소경제 편집부] 고어의 프로덕트 스페셜리스트(Product Specialist)인 Chow Mun Hoe 박사가 검증 엔지니어들을 위해 연료전지시스템 성능 최적화에 가장 적합한 양성자 교환막(PEM) 선정에 대해 질의응답식으로 조언한다.

Q 1. 저는 연료전지 셀 시스템에서 양성자 교환막(PEM) 특성을 검증하는 일을 합니다. 여기서 가장 큰 어려움 중 하나는 고객의 성능·내구성 요건을 만족시키는 것인데, 최적의 PEM을 결정하기 위한 테스트 방법을 어떻게 수립할 수 있을까요?

A . 시스템의 성능·내구성과 PEM 간의 상관관계를 판단하는 것은 PEM 사이에 존재하는 MEA, 스택, 시스템 디자인 등 여러 가지 변수 때문에 쉽지 않습니다.

따라서 가장 먼저 할 일은 PEM이 MEA에 미치는 영향을 이해하는 것입니다. 고어는 표준 전극을 다양한 온도·습도에 노출해 PEM 성능을 이해하는 데 오랜 경험을 쌓아왔습니다.

다음으로는 스택 차원의 검증이 필요합니다. 밸류체인 상단으로 갈수록 테스트에 필요한 시간과 비용이 증가합니다. 이때 숏스택 또는 풀스택 테스트를 통해 스택 차원에서 PEM이 MEA 성능에 어떠한 영향을 미치는지 평가하고 다양한 스택 디자인을 검증할 수 있습니다.

마지막 단계는 시스템 차원의 테스트입니다. 시스템 디자인, 운전조건, 주행 패턴 등을 고려해 스택의 성능과 내구성을 평가합니다.

수많은 변수가 존재하기 때문에 시스템 성능과 PEM 사이의 관계를 이해하는 데에는 많은 노력이 필요합니다. 그중 한 가지 방법은 시스템의 요구사항을 이해하는 것입니다.

장거리 주행을 위해 연속적으로 사용되는지, 시스템 디자인에 가습기가 포함되지 않은 경우 상대적으로 건조한 조건에서 주로 사용되는지 또는 라디에이터의 크기를 줄이기 위해 상대적으로 고온에서 사용되어야 하는지 등의 질문을 통해 시스템 설계자는 어떠한 종류의 MEA와 PEM이 보다 적합한지 선택할 수 있습니다. 역으로 분석을 하면 PEM이 스택과 시스템의 성능·내구성에 어떠한 영향을 미치는지 측정할 수 있습니다.

이 과정은 길고 지루합니다. 그래서 고어는 실제 상황으로부터 수집된 기존의 경험 데이터를 바탕으로 PEM이 연료전지 밸류체인의 각 단계에 어떠한 영향을 미치는지 모델을 구축하고 있습니다. 이를 통해 결국 고객들이 PEM 선정과 시스템 성능·내구성 사이의 관계를 더욱 자세히 이해할 수 있을 것입니다.

Q 2. 우리 회사는 상용 수소차 분야로 개발을 전환하고 있습니다. 상용 수소차의 효율성을 개선하려면 어떠한 요소를 고려해야 할까요?

A . 연료전지 스택 또는 시스템의 효율성을 좌우하는 요소는 출력밀도인데, PEM이 이에 큰 영향을 미칩니다. 이오노머(ionomer)의 종류, 강화막 자체의 구조, PEM의 두께 등 모든 요소가 양성자 전도도와 상용 수소차의 주행거리에 영향을 미칩니다.

또 운전 중 잦은 습도 변화로 인한 기계적 열화와 가혹한 화학적 환경으로 인한 화학적 열화가 발생할 수 있습니다. PEM의 기계·화학적 내구성을 보장하지 못한다면 시간이 경과함에 따라 가스 크로스오버 증가와 효율성 손실을 초래할 수 있습니다. 심지어 연료전지 스택의 치명적인 고장을 초래할 수 있습니다.

이러한 문제에 대응해 고어의 ‘ePTFE’로 강화된 PEM, 이오노머 및 첨가제 기술은 연료전지 스택이 더욱 효율적으로 기능하도록 지원하는 동시에 기계·화학적 내구성과 관련된 리스크를 완화해줍니다.

Q 3. PEM을 양산할 때 품질의 일관성이 필수적입니다. R&D에서 양산 단계로 넘어갔을 때 검증 파라미터와 방법은 어떻게 달라질까요?

A . 연료전지 프로젝트가 양산 단계에 진입하면 PEM 공급사는 R&D 단계와는 다른 요구사항을 고려해야 합니다. 양산에는 체계적인 접근방식이 마련되어야만 제조 공정의 확인·교정 및 양산에 적합한 검사·검증이 이뤄질 수 있습니다. 지름길이란 없습니다. 오로지 엄격한 품질관리 공정과 절차만이 생산의 일관성과 품질을 보장해줍니다.

고어는 이미 검증된 안정적인 제조 공정을 통해 높은 수준의 로트 간 일관성을 기하고 있습니다. 또 제품 스펙에 따른 적절한 수량의 샘플링과 100% 검사를 통해 품질에 대한 높은 신뢰 수준을 보장하고 있습니다.

Q 4. 연료전지 스택이 기대대로 성능을 발휘하지 못하거나 시간이 지나면서 성능이 저하될 때 고장 원인을 파악하려면 어떠한 분석이 필요할까요?

A . MEA를 분석하면 성능 저하의 잠재적인 원인에 대한 단서를 얻을 수 있습니다. 고어는 이러한 진단을 위해 여러 가지 툴(tool)을 사용합니다.

시간대전류법(Chronoamperometry; CA)은 산화 전극(양극, Anode)에서 환원 전극(음극, cathode)으로의 수소 크로스오버를 측정하는 데 사용됩니다. 이 방법으로 PEM 이오노머의 분해 또는 PEM의 기계적 결함 여부를 확인할 수 있습니다. 그 원인은 작동 중에 발생하는 OCV 홀딩(holding)과 기계적 스트레스일 수 있습니다.

순환 전압전류법(Cyclic Voltammetry; CV)은 전위 주사 시 전류변화를 측정함으로써 전극의 열화 상태를 측정하는 데 사용됩니다. 전극 탄소가 부식되었거나 플래티늄의 유효 표면적이 줄어들었는지에 대한 단서를 제공해줘 성능 저하를 유발하는 다양한 원인을 확인할 수 있습니다.

전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)은 PEM과 전극의 저항을 이해하는 데 사용되어 성능 손실에 대한 단서를 제공합니다.