수소 연료전지 실시간 평가 가능

원자력연-현대자동차(주) 공동, 세계 4번째 동일한 주행조건에서 연료전지 내부 영상 실시간 관찰 가능

실제 주행조건에서 수소 연료전지의 성능을 실시간 평가할 수 있는 실증장치가 국내 연구진에 의해 세계 4번째로 개발됐다.

한국원자력연구원(원장 양명승)은 최근 현대자동차(주)와 공동으로 이 같은 실증장치 구축에 성공했다고 23일 밝혔다.

수소 연료전지는

▲ 수소 연료전지 실증장치 모습

미래 친환경 자동차의 동력원으로 주목받고 있는 에너지원이다. 실증장치는 실제 자동차의 주행조건에서 연료전지의 성능을 실시간으로 평가할 수 있다.

연구용 원자로 하나로(HANARO)의 중성자영상장치(NRF)에 구축됐으며, 수소 발생장치와 산소공급용 외기 흡입장치, 안전성 확보를 위한 수소 검출기 등으로 구성됐다.

측정방법을 보면, 우선 수소 연료전지 중 에너지 변환 효율이 높고 친환경적인 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)에 실제 주행조건과 동일한 전기생성 반응을 일으킨다.

이후 중성자 영상법(Neutron Imaging Technique)을 활용, 전지 내부에서 일어나는 물의 거동과 분포 등의 현상들을 실시간으로 관찰할 수 있도록 했다.

생성된 중성자 영상은 연료전지 내부 물의 양과 분포를 정확하게 표현할 수 있다.
결국 이는 수소와 산소 비율 최적화, 수소 및 산소 주입 시 가습량, 온도 및 압력 변화 등을 통한 연료전지의 성능 향상과 설계 개선에 기여할 전망이다.

원자로를 이용한

▲ 하나로 중성자 영상장치 모습

연료전지 성능 실증장치 구축은 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 펜스테이트대학(PSU), 스위스 파울셰러연구소(PSI)에 이어 세계 4번째다.

심철무 중성자과학연구부 책임연구원은 “PEMFC는 최근 친환경 자동차로 각광받고 있는 하이브리드 자동차의 뒤를 이을 수소 연료전지 자동차의 핵심기술”이라며 “이번에 구축한 장치를 통해 국가 거대 과학시설인 하나로를 차세대 연료전지 기술 개발에 적극 활용할 수 있게 됐다”고 말했다.

(용어 설명)
1. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)=수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지를 말함. 연료의 화학에너지를 열에너지로 변환하지 않고 직접 전기에너지로 변환시킬 수 있어, 효율이 매우 놓고 공해가 거의 없다. 성능향상을 위해서는 까다로운 물 관리가 필수적이며, 이를 위해 냉각채널의 효율적 구성이 필요하다.

2. 중성자 영상법(NIT) : 금속은 잘 투과하지만, 물 등 수소가 포함된 화합물은 잘 투과하지 못하는 중성자의 특성을 이용한 측정방법으로, 연료전지의 성능 향상에 기여한다. 중성자 영상법을 이용하기 위해서는 연구용 원자로 등 강력한 중성자원이 필수적이다.

3. 중성자영상장치(NRF)=X-선과 마찬가지로 방사선이 물질을 투과할 때 물질과 상호작용에 의해 세기가 감쇠되는 현상을 이용한다. 즉, 중성자원(원자로)에서 방출된 중성자가 시험편을 통과할 때, 시험편 내에 존재하는 불순물 등에 의해 투과율이 달라지는 현상을 CCD 카메라로 포착하는 방식이다. 1997년 개발됐으며, 핵연료와 항공기 부품, 우주 발사체 등의 미세 결함 등을 탐지하고, 반도체 실리콘과 자동차 강판, 엔진 및 부품 개발을 위한 비파괴분석 및 검사 등에 주로 사용된다.