양성자교환막 연료전지 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
쉽게 풀면
양성자교환막(PEM) 연료전지는 수소 자동차에 많이 쓰이는 방식으로, 얇은 고분자 막을 사이에 두고 한쪽에는 수소를, 다른 쪽에는 공기 중 산소를 공급해 전기를 만듭니다. 막은 수소이온만 통과시키고 전자는 외부 회로를 거치게 만들어, 그 전자의 흐름이 곧 전기가 됩니다. 상대적으로 낮은 온도에서 빠르게 시동을 걸 수 있어 자동차처럼 자주 켜고 끄는 용도에 적합합니다. 부산물로는 물만 나오는 것이 특징입니다.
왜 중요한가
PEM 연료전지는 작동 온도가 낮고 시동이 빨라 수소전기차, 소형 발전기 등 이동성과 응답성이 중요한 응용 분야에 적합해, 전극 촉매 개발과 막전극접합체 성능 개선을 중심으로 활발히 연구되고 있습니다. 낮은 작동 온도와 빠른 응답 특성 덕분에 승용차, 지게차 등 이동식 응용에서 가장 널리 채택된 연료전지 방식입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
촉매 저감 및 전극 구조 개선 연구 예시입니다.
차량 적용 관점의 실증 연구 예시입니다.
조금 더 깊게 보면
PEM 연료전지는 연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분리되고, 수소이온은 막을 통과해 공기극으로 이동하며 전자는 외부 회로를 통해 전류를 형성하는 방식으로 작동합니다. 백금 계열 촉매가 주로 사용되며, 촉매 사용량 저감과 대체 촉매 개발이 비용 절감을 위한 주요 연구 방향입니다. PEMFC는 80도 안팎의 비교적 낮은 온도에서 작동해 시동이 빠르고 자동차처럼 잦은 기동·정지가 필요한 응용에 적합하지만, 수소 중 일산화탄소가 미량이라도 섞이면 백금 촉매 표면에 흡착해 성능을 저하시키는 피독 현상에 취약해 고순도 수소가 요구됩니다. PEM 연료전지는 낮은 작동 온도 덕분에 시동이 빠른 대신, 수소 중 미량의 일산화탄소만 섞여도 백금 촉매 표면이 피독되어 성능이 떨어지므로 고순도 수소 공급이 요구된다. 낮은 작동 온도와 빠른 응답 특성 덕분에 승용차나 지게차 같은 이동식 응용에서 가장 널리 채택된 연료전지 방식으로 꼽힙니다.
주의할 점
PEM 연료전지는 연료로 사용하는 수소의 순도에 민감하며, 불순물이 촉매를 피독시켜 성능을 저하시킬 수 있으므로 수소 공급의 품질 관리가 중요합니다.