원자력(硏), 현대자동차(주)와 공동으로 ‘수소 연료전지 실증장치’ 구축
수소 연료전지 실증장치가 설치된 하나로 중성자영상장치(NRF)
중성자 영상법을 이용한 성능 검증을 위해 하나로 중성자영상장치(NRF) 내부에 설치된 수소연료전지
하나로 NRF에 설치된 수소연료전지 실증장치 제어부
한국원자력연구원과 현대자동차㈜는 하나로의 중성자영상장치(NRF; Neutron Radiography Facility)에 수소 발생장치와 산소 공급을 위한 외기 흡입장치, 안전성 확보를 위한 수소 검출기 등으로 구성된 ‘수소 연료전지 실증장치’를 구축, 자동차 주행중처럼 실제 전기를 생산하는 과정에서 연료전지 내부의 물의 거동과 분포를 실시간으로 관찰할 수 있게 했다. 이 장치를 통해 생성된 중성자 영상은 연료전지 내부의 물의 양과 분포를 정확하게 가시화함으로써 수소-산소 비율 최적화, 수소-산소 주입시 가습량, 온도 및 압력 변화 등을 통한 연료전지의 성능 향상과 설계 개선에 기여할 전망이다.
PEMFC는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지의 일종으로, 연료의 화학에너지를 열에너지로 변환하지 않고 직접 전기에너지로 변환시키므로 효율이 매우 놓고 공해가 거의 없다. PEMFC의 성능 향상을 위해서는 까다로운 물 관리(water management)가 필수적인데, 이는 전기 생성 과정에서 발생하는 물의 양이 너무 많거나 혹은 너무 적을 경우 성능이 급격히 떨어지고, 연료전지 운전중 발생하는 열로 인한 성능 저하를 막기 위해 냉각채널을 효율적으로 구성해야 하기 때문이다.
PEMFC는 ①연료극(양극)에 공급된 수소가 백금 촉매를 통해 수소 이온(양성자)과 전자로 분리된 뒤 ②+극을 띠는 수소이온이 고분자 전해질막을 통해 공기극(음극)으로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 공기극으로 이동하면서 전기를 생성하며 ③공기극(음극)에서 산소이온과 수소이온이 만나 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 양극에서 생성된 수소 이온은 단독으로는 고분자 막을 통과하지 못하고 물 분자 몇 개와 함께 이동하기 때문에, 고분자 막에 수분이 부족하면 수소 이온 전달이 제대로 이뤄지지 않아 전지의 효율이 저하된다. 반면 수분이 너무 많으면 산소 및 수소의 공급을 방해하게 돼 역시 전지의 효율이 감소한다.
금속 피막으로 둘러싸인 연료전지의 내부에서 일어나는 현상을 직접 볼 수 있는 기법은 중성자 영상법이 유일하다. 중성자 영상법은 금속은 잘 투과하고 수소 및 그 화합물(대표적으로 물)은 잘 투과하지 못하는 중성자의 특성을 이용한 것으로, 연료전지의 성능 향상에 중성자 영상법을 이용하기 위해서는 연구용 원자로 등 강력한 중성자원(neutron source)이 필수적이다.
중성자영상장치(NRF)는 X-선과 마찬가지로 방사선이 물질을 투과할 때 물질과 상호작용에 의해 세기가 감쇠되는 현상을 이용한다. 중성자원(원자로)에서 방출된 중성자가 시험편을 통과할 때 시험편 내에 존재하는 불순물 등에 의해 투과율이 달라지게 되는데, 중성자를 직접 카메라로 검출할 수 없게 때문에 중성자와 반응하면 가시광선 등을 방출하는 섬광체를 이용해 CCD 카메라로 중성자 영상을 포착하게 된다. NRF는 1997년 개발 및 설치가 완료되어 핵연료, 항공기 부품, 우주 발사체 등의 미세 결함 등을 탐지하고, 반도체 실리콘, 자동차 강판, 엔진 및 부품 개발을 위한 비파괴분석 및 검사 등에 주로 사용되어 왔다.
심철무 한국원자력연구원 중성자과학연구부 책임연구원은 “PEMFC는 최근 친환경 자동차로 각광받고 있는 하이브리드 자동차의 뒤를 이을 수소 연료전지 잗동차의 핵심기술”이라며 “‘수소 연료전지 실증장치’를 통해 국가 거대 과학시설인 하나로를 차세대 연료전지 기술 개발에 적극 활용할 수 있게 됐다”고 말했다.
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한국원자력연구원 중성자과학연구부 심철무 책임연구원 042-868-8612