- 수소에너지 국제학술지 International Journal of Hydrogen Energy에 게재
- 직접 메탄올 연료전지 전기화학반응 시 전압 패턴을 이용한 메탄올 수용액 농도 상관관계 규명
- 별도의 농도 센서를 사용하지 않고 연료전지 전압 측정만으로 농도를 추정해 비용 절감 가능성
서울시립대학교 기계정보공학과 나영승 교수와 독일 칼스루에 공과대학교 (Karlsruhe Institute of Technology), 율리히 연구소 (Julich Research Center) 공동연구팀이 직접 메탄올 연료전지 스택의 전기화학적 특성을 이용해 광학적 방법이나 밀도 차에 의한 방법을 사용하지 않고 메탄올 수용액의 농도를 측정할 수 있는 센서를 개발했다. 해당 연구는 수소에너지 분야 국제 저명학술지 International Journal of Hydrogen Energy 최신호에 게재되었다.
직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)는 노트북이나 핸드폰 충전, 군용 이동 전원과 같은 휴대용 전원 시스템으로 이용되어 왔으나 최근 레저용 보조 전원, 실내용 지게차와 같은 대용량 전원시스템 분야로 연구개발이 확대되고 있다.
▲ (좌) 전압 패턴 분석 시 농도 측정에 영향을 주는 파라미터 (우) 직접 메탄올 연료전지 시스템에서 사용하는 전압 패턴 정보와 농도와의 관계 개념도
직접 메탄올 연료전지 시스템에서 농도 측정 장치는 메탄올 수용액의 농도를 측정하는데 일반적으로 굴절률을 측정하는 광학 방식과 밀도를 측정하는 방식, 점성을 측정하는 방식 등의 수용액의 물성치를 측정하는 방식을 사용해 왔다.
공동연구진은 직접 메탄올 연료전지 자체의 전기화학 반응과 메탄올 수용액의 농도와의 관계를 전기화학 반응으로 추정할 수 있도록 전압 측정 시스템을 구성했다. 또한 단위 전지뿐만 아니라 실제 시스템에 장착되는 수십 개의 전지가 직렬로 연결된 연료전지 스택에서도 사용할 수 있는 관계식을 개발하여 +/- 0.1 M 농도의 높은 정확도로 농도를 측정하는 데 성공했다.
이번 연구는 상용화가 용이한 직접 연료전지 스택 자체로 농도를 예측하는 기술을 개발했다는 점, 고가의 농도 센서를 사용하지 않고 시스템을 구성할 수 있다는 점에서 그 의미가 있다.
칼스루에 공과대학 울리케 크레베 (Ulrike Krewer)교수는 “작은 단위 전지에서 전기화학 반응을 분석하는 방법을 활용하여 대용량의 연료전지 스택에서 구현하는 방법은 쉽지 않은 작업이었다. 이는 전문 연구기관의 다양한 분야 연구원들의 유기적 협업으로 가능한 일이었다.”라고 밝혔다.
▲ 왼쪽부터 서울시립대 나영승 교수 ( 월간인물 제공) , 독일 칼스루에 공과대학 Ulrike Krewer 교수
서울시립대 나영승 교수는 “측정 방법의 정확도와 반응속도 개선을 위해 전기화학반응 뿐만 아니라, 유동 및 열전달 기술의 접목이 더욱 중요해질 것으로 예상되며, 향후 상용화 가능한 수준의 전기화학반응 기반의 센서를 지속적으로 연구개발 할 것”이라고 밝혔다.
한편, 직접 메탄올 연료전지 전기화학반응 측정 셀과 같은 센서 없는 측정 방법은 군용, 지게차, 레저용 휴대 전원 등의 산업 성장과 함께 수요가 지속적으로 증가할 것이며, 그 과정에서 소형화, 고정밀화가 가능한 전기화학반응 기술의 접목이 더욱 중요해질 전망이다.
본 연구는 독일 헬름홀츠 재단(Helmholtz Validation Fund), 한국연구재단/과학기술정보통신부의 기초과학연구 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.
