○ 고분자전해질 연료전지는 차세대 자동차의 동력원으로 주목 받고 있다. 연료전지는 연료인 수소와 공기 중의 산소가 반응하여 전기 에너지를 생산하여 모터를 가동시킴으로써 자동차 운행이 가능한데, 발전효율은 50% 이상으로 기존의 엔진보다 2배 이상 높고 운전 후에도 물만 배출되기 때문에 공해가 배출되지 않는 친환경 자동차이다. 뿐만 아니라, 연료전지의 연료인 수소는 물과 바이오매스 등으로부터 친환경적으로 풍부하게 생산 가능하다.○ 이러한 이유로 전 세계 많은 자동차 회사들이 차세대 중·장거리용으로 연료전지 자동차를 개발하고 있는 중이다. 현재 세계 주요 자동차 회사들은 모두 개발 연료전지차량을 시운행하고 있고, 상용 가능성을 평가하고 있는 중이다. ○ 그러나, 자동차용 연료전지는 일정한 조건에서 운전되는 정치용 (발전용) 연료전지와 달리 시동/정지가 무수히 반복되고 부하변동이 큰 조건에서 여러 외부 환경적인 요소를 지닌 채 사용되기 때문에 성능이 급격히 감소한다. 이러한 연료전지 자동차의 내구성 문제는 미국 에너지성 (U.S. Department of Energy, DOE)에서도 연료전지 자동차 상용화를 위하여 해결해야할 가장 큰 문제 중의 하나로 제기하고 있다1. 현재 DOE 에서 제안하는 상용화 목표의 수명은 5,000시간 (10년)이나, 현재까지 자동차 회사들은 대략 3,000시간 정도의 수준에서 내구성을 발표하고 있다.○ 자동차용 연료전지의 열화 원인으로는 탄소 담체의 부식, 전해질 막 분해 및 pinhole 형성, 촉매의 산화/소결 및 활성 감소, 그라파이트/금속 분리판의 산화/부식, 대기 중의 오염원에 의한 구성요소 오염, 전극 구조 변형 등이 있다. 그러나 여러 가지 원인들이 복합적으로 작용하기 때문에 각 요소들이 성능 열화에 미치는 영향을 정확히 분석하는 것이 매우 어렵다. ○ 또한, 전극 내 위치에 따라 다르게 진행되는 열화 현상을 실시간으로 분석할 수 있는 분석기법 및 각 구성요소의 물리, 화학적 특성을 분석하는 기법도 표준화되어 있지 않다. 이러한 이유로 현재까지도 각 요소들에 따른 자동차용 연료전지의 열화 메카니즘이 제대로 규명되지 않고 있다. 따라서 실증 연료전지 자동차에서 수명을 정확히 예측하기도 어렵고, 내구성 향상과 경제성의 타협점을 찾는 것 또한 어려운 실태이다.○ 이러한 문제를 실험적으로 접근해서 열화 메카니즘을 이해하고 실험적 검증을 통하여 해결하기 위해서는 많은 실험을 진행하는 방법이 있으나, 열화 변수가 너무 많기 때문에 그 한계가 있다. 또한, 현재 DOE에서 제안하는 5,000 시간의 내구성에 대한 검증을 위해서는 시간적 경제적으로 비용이 크기 때문에, 장기 실험을 통해 평가하기에 어려움이 있다. ○ 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로는 이론과 실험을 접목하는 통합 모델링을 이용하는 방법이 있다. 연료전지 열화에 미치는 각 요소들의 실험적 결과와 전기화학적 이론적 계산 값을 접목하여 모델링을 하고, 모두 통합하여 계산함으로써 자동차용 연료전지의 수명이 정확히 예측 가능하다.○ Georgia Institute of Technology (Georgia Tech., GT), 화학생명공학과(School of Chemical & Biomolecular Engineering)의 Tom Fuller 교수 그룹은 이러한 현상을 전기화학 기반으로 연료전지 열화 현상을 이론적 계산과 실험적 결과를 비교·분석을 통하여, 모델링을 수행하고, 이를 통하여 연료전지 수명을 정확히 예측하고 있다. ○ 또한, 실험과 병행한 모델링 기법을 이용하여 각 변수에 따른 열화 메카니즘을 실제와 가깝게 규명하고 있으며, 이를 토대로 각 열화 요소간의 상간관계를 찾아내고, 최소의 열화를 위한 연료전지 구성요소 (Pt/C 촉매, 분리막, 금속/카본 분리판) 개발 및 운전 방안을 제시하고 있다.○ 따라서, 국내 연료전지 자동차의 상용화를 앞당기기 위해서는 이러한 연료전지 수명 예측을 위한 모델링 연구기법을 도입하고, 지속적인 연구 개발할 필요가 있다. 세부 연구 목표는 아래와 같다.○ 자동차용 연료전지 구성요소 (Pt,카본, 금속분리판) 및 운전/외부 환경이 열화에 미치는 영향(메카니즘) 규명.○ 자동차용 연료전지의 열화 현상 및 수명 예측에 대한 전기화학적 모델링 기법 습득.○ 실험과 모델링을 접목하여 실제 운전 조건에서 자동차용 연료전지의 내구성 향상 연구.
