김준범 연구실
화학공학부 김준범
김준범 연구실은 전기화학공학, 특히 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 분야에서 국내외적으로 선도적인 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 연료전지의 성능 및 내구성 향상을 위한 기초 및 응용 연구를 폭넓게 진행하고 있으며, 수소경제 시대를 대비한 핵심 원천기술 확보에 주력하고 있습니다.
연구실의 주요 연구 분야는 연료전지의 전극 구조 및 촉매 최적화, 가스 확산층 및 분리판 소재 개발, 수분 및 열 관리 기술, 그리고 불순물 및 내구성 저하 요인에 대한 평가와 회복 기술 개발 등입니다. 실험적 연구와 더불어 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션, 전기화학적 분석, 소재 합성 및 특성 평가 등 다양한 첨단 연구 방법을 활용하여, 실제 운전 조건에서의 연료전지 성능을 정량적으로 분석하고 있습니다.
특히, 백금 함량 저감 및 내구성 향상을 위한 첨단 촉매 및 전극 소재 연구, 금속 폼 및 다공성 유로 구조 적용, 블록 및 서브채널 설계, 수분 및 열 관리 최적화 등 연료전지의 실용화와 상용화에 필요한 기술 개발에 집중하고 있습니다. 또한, 수소연료전지자동차, 수소충전소 등 수소 모빌리티 및 인프라 구축을 위한 연구도 활발히 진행 중입니다.
연구실은 정부, 산업체, 연구기관 등과의 다양한 산학연 협력 프로젝트를 통해 실질적인 산업화와 상용화에 기여하고 있으며, 국내외 학술대회, 특허, 논문, 저서 등에서 우수한 연구성과를 지속적으로 창출하고 있습니다. 이러한 연구 성과는 친환경 에너지 전환과 수소경제 실현, 미래 모빌리티 산업 발전에 중요한 기반이 되고 있습니다.
김준범 연구실은 앞으로도 연료전지 및 수소에너지 분야의 혁신적인 연구를 지속하여, 에너지·환경 문제 해결과 지속가능한 미래 사회 구현에 앞장설 것입니다.
Hybrid Bus Battery Cooling
Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
Industrial By-product Hydrogen Utilization
고분자전해질 연료전지(PEMFC) 성능 및 내구성 향상 연구
고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 친환경 에너지 변환 장치로서, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산합니다. 본 연구실에서는 PEMFC의 성능 및 내구성 향상을 위한 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 전극 구조와 촉매의 최적화, 가스 확산층(GDL) 및 분리판의 소재 개발, 그리고 수분 및 열 관리 기술에 중점을 두고 있습니다.
연구실에서는 금속 폼, 다공성 유로, 블록 및 서브채널 등 다양한 유로 구조를 적용하여 연료전지 내부의 반응가스 분포와 물 관리 효율을 극대화하고자 합니다. 이를 위해 실험적 접근과 더불어 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 병행하여, 실제 운전 조건에서의 성능 변화를 정량적으로 분석합니다. 또한, 전극 및 분리판의 부식, 불순물 영향, 역전압 등 내구성 저하 요인에 대한 평가와 회복 기술 개발도 활발히 이루어지고 있습니다.
이러한 연구를 통해 PEMFC의 장기 운전 안정성 확보와 고출력, 고효율 실현을 목표로 하며, 수소 모빌리티, 발전, 산업용 등 다양한 응용 분야에 적합한 연료전지 시스템 개발에 기여하고 있습니다. 특히, 수소경제 시대를 대비한 연료전지의 상용화 및 대중화에 필요한 핵심 원천기술 확보에 집중하고 있습니다.
연료전지용 촉매 및 전극 소재 개발
연료전지의 성능과 내구성은 촉매 및 전극 소재의 특성에 크게 좌우됩니다. 본 연구실은 백금(Pt) 기반 촉매의 함량 저감과 내구성 향상을 위한 다양한 소재 연구를 수행하고 있습니다. 대표적으로 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 메조포러스 카본 등 첨단 탄소 소재를 촉매 지지체로 활용하여, 백금의 분산도와 전기화학적 활성 면적을 극대화하고, 촉매의 내구성을 크게 향상시키는 기술을 개발하고 있습니다.
또한, 합금 촉매(Pt-Co, Pt-Ni 등) 및 하이브리드 촉매(그래핀/니켈옥사이드, Pt/그래핀 옥사이드 등)의 합성 및 적용을 통해 산소환원반응(ORR) 활성도와 내구성을 동시에 높이고자 합니다. 촉매의 표면처리, 이오노머(Nafion) 함량 최적화, 전극 구조 설계 등 다양한 변수에 대한 체계적인 실험과 분석을 통해, 실제 연료전지 운전 환경에서의 성능을 극대화하는 소재 솔루션을 제시하고 있습니다.
이와 더불어, 촉매의 내구성 평가 및 불순물(황화수소, 일산화탄소 등)에 의한 성능 저하와 회복 기술, 그리고 대량생산 및 상용화에 적합한 촉매 제조 공정 개발에도 주력하고 있습니다. 이러한 연구는 연료전지의 경제성 확보와 장기 신뢰성 향상에 필수적인 기반 기술로, 미래 수소사회 실현에 중요한 역할을 하고 있습니다.
수소 모빌리티 및 수소 인프라 기술 개발
본 연구실은 수소연료전지자동차, 수소충전소 등 수소 모빌리티와 인프라 구축을 위한 연구도 활발히 수행하고 있습니다. 수소연료전지자동차의 스택 설계, 운전 조건 최적화, 수소 및 전력 효율 개선, 스택 클리닝 기술 등 다양한 프로젝트를 통해 실용화에 필요한 핵심 기술을 개발하고 있습니다.
특히, 수소충전 인프라의 구축 및 운영, 수소의 저장 및 운송, 그리고 수소경제 활성화를 위한 정책 및 산업 전략 연구도 병행하고 있습니다. 이를 위해 정부, 지자체, 산업체와의 협력 네트워크를 구축하여, 실질적인 산업화와 상용화에 기여하고 있습니다. 수소 모빌리티 분야에서는 연료전지 파워팩, 대형 상용차용 연료전지 시스템, 하이브리드 버스용 배터리 팩 냉각 기술 등 다양한 응용 연구를 진행 중입니다.
이러한 연구는 친환경 미래 교통수단의 보급 확대와 에너지 전환 시대의 핵심 인프라 구축에 중요한 역할을 하며, 국내외 수소산업의 경쟁력 강화와 지속가능한 성장에 기여하고 있습니다.
1
Effect of metal wire mesh application to the cathode flow field on PEMFC performance
김준범, 장지원
INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, 202504
2
Effect of manifold size on PEMFC performance with metal foam flow field
김준범, 김현우
INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, 202406
3
Facile synthesis of three-dimensional graphene/nickel oxide nanoparticles composites for high performance supercapacitor electrodes
웬 바오 트룽, 김의정, 트란 반 탐, 최원묵, 당 딘 코이, 김준범
CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL, 201503
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고분자전해질 연료전지의 수소 및 전력 효율개선(6)
3
고분자전해질 연료전지의 수소 및 전력 효율개선(5)
