왼쪽부터 윤군진 교수, 임형준 박사, 김건우 박사과정생

서울대학교 공과대학은 항공우주공학과 윤군진 교수팀(임형준 박사, 김건우 박사과정생)이 연료전지의 핵심 구성요소 중 하나인 고분자 전해질막의 수명을 평가하는 새로운 기법을 개발했다고 밝혔다.

고분자 전해질막은 음극에서 해리된 수소이온이 양극으로 이동할 수 있는 통로역할을 하며, 효과적으로 전류를 생성하는데 핵심적인 역할을 한다. 무엇보다 고분자 전해질막의 내구성은 전체 연료전지의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미친다. 하지만 고분자 전해질막의 기계적·화학적 열화 메커니즘은 복잡하며, 이를 동시에 정확하게 이해하고 평가하는 것은 어려운 과제로 여겨져 왔다.

이번 연구에서는 고분자 전해질막의 화학적 열화 메커니즘을 정량적으로 분석하고, 화학적 분해로부터 발생하는 취성화 메커니즘을 실험적 관찰을 통해 새롭게 제안했다. 또한 화학적 열화 정도에 따른 외부 하중에 의한 파손패턴도 미소스케일 단위의 관찰을 통해 분석했다. 이를 통해 연료전지 가동 중에 발생하는 고분자 전해질막의 열화 및 거동을 실험적으로 관찰했으며, 연료전지의 전체 수명과 성능을 더욱 정확하게 예측할 수 있는 가능성을 제시했다.

연구팀은 기계적·화학적 열화를 동시에 고려해 수명을 예측할 수 있는 전산모사를 이용한 평가법을 제시했다. 실제 실험을 통해 얻을 수 있는 정보를 정확하게 반영하면서 시간이 오래 소요되는 내구성 실험을 대체할 수 있는 새로운 방법론을 제공한다. 이를 통해 연료전지의 내구성과 성능을 평가하는 사이클을 간소화해 비용 및 시간을 혁신적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

윤군진 교수는 “이번 연구를 통해 연료전지의 핵심 구성요소인 고분자 전해질막의 수명과 성능을 실험적 관찰을 바탕으로 효율적으로 평가하고 예측하는 기법을 새롭게 개발할 수 있었다”며 “이는 연료전지의 안정성과 효율성을 더욱 높이는 데 중요한 기여를 할 것”이라고 말했다.

한편 해당 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업과 BK21사업 및 서울대학교 연구본부 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 5월 14일 국제 저명 저널인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’에 표지논문으로 선정됐다.

· 논문명 : Durability and Performance Analysis of Polymer Electrolyte Membranes for Hydrogen Fuel Cells by a Coupled Chemo-mechanical Constitutive Model and Experimental Validation
· 제1저자 : 서울대학교 항공우주공학과 임형준 박사
· 공저자 : 서울대학교 항공우주공학과 김건우 박사과정생
· 교신저자 : 서울대학교 항공우주공학과 윤군진 교수

김대성  keilbo@keilbo.com

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