Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are an auspicious energy conversion technology with the potential to address rising energy demands while reducing greenhouse gas emissions. The stack’s performance, durability, and economy scale are greatly influenced by the materials used for the PEMFC, viz., the membrane electrocatalyst assembly (MEA) and bipolar flow plates (BPPs). Despite extensive study, carbon-based materials have outstanding physicochemical, electrical, and structural attributes crucial to stack performance, making them an excellent choice for PEMFC manufacturers. Carbon materials substantially impact the cost, performance, and durability of PEMFCs since they are prevalently sought for and widely employed in the construction of BPPs and gas diffusion layers (GDLs)) and in electrocatalysts as a support material. Consequently, it is essential to assemble a review that centers on utilizing such material potential, focusing on its research development, applications, problems, and future possibilities. The prime focus of this assessment is to offer a clear understanding of the potential roles of carbon and its allotropes in PEMFC applications. Consequently, this article comprehensively evaluates the applicability, functionality, recent advancements, and ambiguous concerns associated with carbonbased materials in PEMFCs.

Ammonia is considered a promising hydrogen carrier due to its high hydrogen density and liquefaction temperature. Considering that the energy efficiency generally decreases as chemical conversion is repeated, it is more efficient to directly use ammonia as a fuel for fuel cells. However, catalysts in direct ammonia fuel cells have the critical issues of sluggish ammonia oxidation reaction (AOR) rate and poisoning of reaction intermediates. In particular, the use of precious metal as cathodic catalysts has been limited due to ammonia crossover and poisoning. In this study, we introduce Fe-based single-atom catalysts with selective activity for the oxygen reduction reaction (ORR) even in the presence of ammonia. As the Fe content increased, the single-atom structure of the catalysts changed into Fe nanoparticles or carbides. Among our Fe–N–C catalysts, FeNC-50 with a Fe loading amount of 0.34 wt% showed the highest ORR performance regardless of the ammonia concentration. In particular, the difference in activity between the catalysts increased as the concentration increased. The FeNC-50 catalyst showed remarkable stability after 1000 cycles. Therefore, we believe that single-atom dispersion is an important factor in the development of stable non-precious catalysts with high activity and inactivity for the ORR and AOR, respectively.

고온 구동형 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 전극의 빠른 활성과 피독 현상에 대한 높은 저항성으로 인해 저온 구동형 PEMFC의 대안으로 많은 연구가 진행되고 있다. 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 기반으로 한 PEM의 경우 고온 구동 조건에서 이온 전도성 물질과의 높은 상호 작용과 우수한 열적ㆍ기계적 안정성 특징으로 인해 HT-PEMFC용 PBI 기반 전해질 막 개발과 관련된 다양한 연구들이 진행 되고 있다. 본 총설에서는 고성능/고내구성의 PBI 기반 PEM을 개발하기 위해 1) 인산 및 다양한 이온전도성 물질이 도핑된 PBI 막의 특성 분석과 막 제조법에 따른 PBI 막의 물성 비교에 관한 연구를 우선적으로 살펴본 후 2) 다공성 폴리테트라플루 오르에틸렌 지지체 및 무기 입자 혼입을 통한 PBI 복합 막의 성능 개선 연구 및 3) 고분자 블렌딩을 통해 가교 구조가 도입 된 PBI 기반 가교 막의 내구성 향상에 관한 연구 동향에 대하여 소개하고자 한다.

국제해사기구(IMO)는 국제해운 분야의 온실가스(Green House Gas, GHG) 감축을 위하여 각국의 기술 개발 및 에너지 효율성 제 고에 관한 정책 시행을 적극적으로 권장하고 있다. 이러한 IMO의 환경규제와 관련된 정책들은 해운 분야 전반에 큰 영향을 미치고 있으 며, 선주들에게도 막대한 부담으로 작용하고 있다. 선박에서 발생하는 GHG 배출을 억제하기 위한 가장 합리적인 방안은 탄소제로배출 (Zero Emission) 선박의 개발로 귀결된다. 즉 친환경 연료로 추진하는 연료전지선박(Fuel Cell Ship, FCS)의 개발이 IMO의 규제를 벗어날 수 있는 대안인 것이다. 아시아, 북미, 유럽 등의 각국에서는 독자적으로 PEMFC를 개발 및 생산하여 국제공인등록 기관으로부터 형식승인 인증을 획득함으로써 국제표준화의 선점을 추구하고 있다. 현재 다양한 연료전지(Fuel Cell, FC) 중에서 선박용으로 권장하는 것은 크게 고 분자전해질 연료전지(PEMFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC) 및 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등의 세종류가 있다. 본 연구에서는 글로벌 FC 시장에서 지속적인 성장이 예상되는 PEMFC를 대상으로 하여 국내외 개발 동향, 제조업체별 규격, 성능 및 선박에 적용한 실증적 사례 를 분석하였다. 그리고 PEMFC를 선박에 적용할 경우, 고려해야 할 사항과 개발 방향에 관하여 제안하고자 하였다.