- 차세대 전극 대면적화 제조 원천기술, 비나텍㈜ 이전... 연료전지 MEA 양산 착수

- 에너지연, 연료전지 백금 사용량 기존 1/5 수준 저감기술 개발... 시장경쟁력 향상 기여

- 정전식 전기분무 기반, 이오노머 나노제어 기술을 통해 성능과 내구성 2배 혁신

- 전극직접코팅 기술을 통한 백금 사용량 저감 MEA 양산성 극대화

[사진자료] 기술이전 계약 체결식

(오른쪽부터 에너지연 김종남 원장, 정치영 책임연구원, 비나텍(주) 성도경 대표이사)

■ 국내 연구진이 수송용/건물용 연료전지 MEA* 단가를 저감할 수 있는 제조 원천기술과 양산성을 확보해 국내 중소기업에 기술을 이전했다. 연료전지 제조단가를 30%이상 절감할 수 있는 핵심기술로, 국내 기업의 양산성과 경쟁력을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.

* MEA(Membrane Electrode Assembly, 막전극접합체): 연료전지 전극과 전해질막이 접합된 핵심 부품으로써, 주입된 수소와 공기 연료가 전기화학 반응을 일으켜 실제 전기를 생산. 사람의 심장과 같은 역할을 담당하고 있어 “연료전지의 심장”이라는 별칭을 가지고 있음. 연료전지 스택 원가의 약 40% 차지

□ 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’)은 비나텍㈜(대표이사 성도경)과 8월 22일(월) 11시 대전 본원에서 ‘정전식 전기분무 기반 연료전지 MEA 양산 핵심기술 및 노하우’ 기술이전계약 체결식을 가졌다. 이날 행사에는 에너지연 김종남 원장, 비나텍 성도경 대표이사 등 관계자 6명이 참석했다.

□ 기존의 MEA는 대량생산 시, 슬러리 공정을 통해 백금 촉매와 나피온 이오노머*가 혼합되어 있는 형태로 제작한다. 하지만 촉매 슬러리의 분산/코팅/건조 과정에서 이오노머가 응집 현상이 일어나 백금 촉매 표면으로 나피온 이오노머의 접근성이 악화돼 산소전달 저항이 증가하고, 촉매의 활성을 떨어뜨린다. 또한, 전극 간접전사코팅 방식을 채택하고 있어 양산성 측면(생산속도, 대면적화)에서 단점을 가지고 있다.

* 나피온(Nafion): 불소계 수소이온 전도성 고분자 전해질(DuPont 社), 이오노머는 수소이온을 촉매층 내부로 전달하는 한편 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할 수행

■ 이러한 단점을 극복하기 위해 에너지연 연료전지실증연구센터 정치영 박사 연구진은 전기분무법을 통한 백금 사용량 저감 MEA 제조 원천기술을 확보하고 다중-노즐(Multi-nozzle) 방식을 사용해 대면적 MEA의 대량생산 공정 핵심기술을 개발했다.

□ 연구진은 정전식 전기분무 공정을 통해 전극 표면에 이오노머를 정밀 제어해 얇고 균일한 나피온 이오노머를 형성하는 새로운 수직 구조의 전극을 설계했다. 전기분무 공정은 전극 잉크 내 고전위를 인가함으로써 형성되는 전기적 척력으로 촉매와 이오노머의 고분산을 지속적으로 유지하는 것이 가능하다. 이를 통해, 전극 층 내 사용되는 백금 촉매의 피독률은 저감시키고 이용률은 기존 대비 3배 이상으로 극대화시켰다.

□ 또한 전극 위에 코팅된 이오노머의 형상을 역마이셀* 형태로 제어해 발수성을 가지는 전극을 구현하고, 이를 통해 연료전지 구동 시 제거하기 어려웠던 내부에서 발생하는 물을 쉽게 제거해 연료전지 운전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

* 역마이셀(reverse micelle): 양친성 물질의 소수성 부위는 외부로 향하고, 친수성 부위는 내부로 향하는 폐쇄형 미세 구조

■ 연구진이 개발한 기술을 통해 백금 사용량을 상용 MEA의 20% 수준까지 획기적으로 저감함으로써, 미국 에너지성(US DOE)에서 제시한 기술적 목표를 조기 달성했다*. 또한, 개발된 공법은 전극 직접코팅 방식으로 공정이 단순하고 확장성이 우수하며, 다중 노즐 방식을 사용해 양산설비 설치비용은 1/2수준으로 절감, 양산속도는 2배 이상 향상시킬 수 있다.

* US DOE 2025 Target: 미국 에너지성 Hydrogen & Fuel Cell Program에서 목표로 하는 차량용 연료전지의 정량적 성과(2025년), 백금 사용량 0.1mg/cm2 이하를 권고하고 있음

■ 연구책임자인 정치영 박사는 “이번 연구를 통해 차량용/건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 저감할 수 있는 차세대 MEA의 양산 핵심기술이 확보됐다.”며 “Roll-to-roll 공정과 전극직접코팅 방식을 채용할 수 있어, 국내 수요기업의 기술 양산성과 제품 경쟁력을 크게 높일 수 있다”고 밝혔다.

□ 비나텍㈜ 성도경 대표이사는 “기존 당사가 보유한 연료전지 핵심기술과 이번 도입기술의 시너지를 통한 기술 초격차로, 연료전지 시장 확대의 난제인 가격과 성능의 한계를 극복하여 해외시장에서의 비약적인 매출 증대가 예상된다.”고 밝혔다.

□ 이번 연구는 에너지연 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.