본 연구는 전기화학 에너지 시스템 재료, 특히 고분자 전해질막(PEM) 연료전지 부품의 공간적 전도도 매핑을 위한 측정 방식으로 전기 임피던스 단층촬영(EIT)의 적용 가능성을 평가했습니다. 고분자 전해질막을 선택적으로 활성화 또는 비활성화하고, 촉매 코팅막(CCM) 및 가스 확산층에 인공 결함을 도입하여 EIT의 민감도와 진단 능력을 평가했습니다.
재구성된 전도도 분포는 주사형 전기화학 현미경(SECM)을 통해 독립적으로 검증하여 공간 대비 및 재구성 정확도를 확인했습니다. EIT는 활성화 상태 및 열화의 넓은 영역 변화를 신속하고 비파괴적으로 감지할 수 있음을 보였습니다. 또한, 국부적인 결함을 신뢰성 있게 감지했으며, 이는 공간적 맥락이 부족하여 국부적 열화와 전체적 열화를 구별하기 어려운 전기 임피던스 분광법(EIS)에 비해 명확한 이점을 제공합니다.
CCM에 대한 재현성 연구 결과, 측정 가변성과 샘플 재장착 효과가 일관된 결함 식별에 충분히 낮았으며, 결함 및 배경 신호가 다양한 신뢰 구간에서 명확하게 분리되었습니다. 다양한 전극 수와 위치, 결함 배열, 샘플 크기를 포함한 시뮬레이션 연구는 미래 EIT 적용 가능성에 대한 질적 설계 방향을 제시했습니다.
이 연구는 연료전지 재료의 신속하고 비파괴적인 전기화학적 이미징을 향한 중요한 방법론적 진전을 나타냅니다. 이는 전기화학 에너지 장치에서 국부적인 활성화, 열화, 결함 및 이질성을 인라인, 인시튜, 오페란도 방식으로 조사할 수 있는 강력한 도구가 될 수 있습니다.
기존 소형 연료전지 시스템은 기계식 공기 펌프 사용으로 상당한 기생 전력 소모가 발생하여 효율 저하의 원인이 됩니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하고자 양극 배기 가스를 구동 유체로 활용하는 초경량(0.2g) 마이크로 이젝터를 개발하여 전력 소모 없이 음극 공기를 공급하는 방안을 제시합니다.
스테레오리소그래피 방식으로 제작된 이 이젝터는 100 kPa 미만의 저압 조건에서 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 형상을 최적화했습니다. 이를 통해 최대 12의 동반비(ER)를 달성하며 4 이상의 높은 동반 효율을 보였습니다.
최적화된 이젝터를 양성자 교환막 연료전지(PEFC)에 통합한 결과, 최대 0.28 W의 안정적인 전력 출력을 확인했습니다. 또한, 12시간 동안 정전류 운전 시 5 mV 미만의 전압 변동을 보여, 능동적인 유량 제어 없이도 안정적인 음극 공기 공급이 가능함을 입증했습니다.
이 기술은 휴대용 및 분산형 연료전지 시스템에 적합한 경량 및 소형의 BOP(Balance-of-Plant) 솔루션을 제공하여, 연료전지 시스템의 효율성과 실용성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
연료전지 스택에서 균일한 온도 분포는 시스템 설계 및 스케일업에 매우 중요하지만, 실험실 규모에서는 주로 엔드플레이트 가열 방식으로 온도를 제어합니다. 본 연구는 실제 스택 환경을 모사하기 위해 자가열 활성화 및 자가열 분극 실험을 수행하여 막전극접합체(MEA)의 열적 거동을 분석했습니다.
새로운 유럽 주행 사이클(NEDC) 프로토콜에 따라 MEA를 분극시키고, 동시에 정전류 전기화학 임피던스 분광법(GEIS)을 사용하여 R1, R2, C2 파라미터를 실시간으로 측정했습니다. 대칭적인 Pt 담지량을 가진 C-60-Pt, C-40-Pt, 그리고 저백금 C-60-Pt (0.13 mg Pt/cm2) 세 가지 MEA 구성을 비교했으며, 맞춤형 스프레이 건 로봇으로 가스확산전극을 제작했습니다.
실험 결과, C-40-Pt MEA는 4시간의 자가열 활성화 후 뚜렷한 브레이크인 효과를 보이며 가장 높은 전류 밀도를 달성했습니다. 반면, 저백금 MEA는 가장 낮은 성능을 보였지만, 자가열 분극 중 가장 큰 온도 상승을 나타냈습니다. 임피던스 데이터 분석 결과, C-40-Pt MEA는 유사한 직렬 저항에도 불구하고 더 낮은 내부 저항을 가졌으며, 다공성이 높은 C-60-Pt는 R1이 증가했습니다.
고정 온도 GEIS에 비해 자가열 조건에서 더 일관된 곡선 형태는 온도 적응성이 측정 재현성을 향상시킴을 시사합니다. 본 연구는 연료전지 스택의 실제 작동 조건에서의 열 관리 및 성능 최적화에 중요한 통찰을 제공합니다.
