- 미 DOE 2025 기술목표 조기 달성해

- 에너지연, 연료전지 MEA 백금 사용량 저감 기술로 경제성 높여

- 습식 전기분무 기반, 이오노머 나노제어 기술을 통해 연료전지 성능과 내구성 혁신

- 전극직접코팅 기술을 통한 백금 사용량 저감 MEA 양산성 극대화

- 차세대 전극 제조 원천기술, 환경공학 분야 국제학술지 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ 게재

■ 국내 연구진이 수송용/건물용 연료전지 MEA* 단가를 저감할 수 있는 원천기술을 확보하고 공정의 단순화로 고부가제품인 MEA의 대면적화와 양산의 길을 열었다.

* MEA(Membrane Electrode Assembly, 막전극접합체): 연료전지 전극과 전해질막이 접합된 핵심 부품. 수소와 산소가 반응, 실제 전기화학반응이 일어나 전기를 만드는 부분이며 연료전지 스택 원가의 약 40% 차지

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 연료전지실증연구센터 정치영 박사 연구진은 한양대학교화학공학과(이성철 교수)와 공동연구를 통해 습식 전기분무 방식에 기반한 연료전지 전극 내 이오노머 나노제어 기술을 통한 백금 사용량 저감 MEA 제조 원천기술을 개발했다.

■ 개발한 기술을 통해 백금 사용량을 0.1mg/cm2 수준으로 획기적으로 저감함으로써, 미국 에너지성(US DOE)에서 제시한 기술적 목표를 조기 달성하는 성과를 이루었다*.

* 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

□ 선진국 등 많은 나라에서 잇따른 탄소중립 선언과 함께 수소경제로의 전환기조가 이어지고, 이에 대한 대응 기술로 수소와 연료전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 수소의 생산-저장이송-활용단계로 구분되는 수소경제에서 활용의 핵심적 역할인 연료전지는 수송, 발전 등 다양한 용도로 확대되며, 세계 시장 규모는 연평균 30%씩 성장해 2030년에는 약 50조원 규모로 전망된다.

□ 고분자 연료전지는 수송용/건물용 발전을 위한 차세대 에너지 변환장치로써 주목을 받고 있다. 고분자 연료전지는 고분자로 이뤄진 막을 전해질로 사용하는 연료전지로, 저온에서 반응이 일어나며 높은 에너지밀도와 효율을 가져 교통수단의 동력, 현지 설치형 발전 등 활용범위가 넓은 장점이 있다.

■ 고분자 연료전지에서 전극은 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.

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

■ 이에 따라 가격 저감을 위해 백금 사용량을 현재 0.5mg/cm2 수준에서 0.1mg/cm2 이하로 낮추면서 산소 전달 저항을 최소화할 수 있는 한층 더 높은 수준의 전극 설계 및 제조 핵심기술이 필요하다.

■ 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 습식 전기분무 공정을 통해 전극 표면에 이오노머를 2 나노미터 수준으로 정밀제어 해 얇고 균일한 나피온 이오노머를 형성하는 새로운 수직 구조의 전극을 설계했다. 수직구조의 전극은 백금 촉매, 나피온 이오노머, 공극을 수직으로 배열해 반응에 필요한 이온, 전자, 산소의 이동거리를 최적화함으로써 연료전지 성능을 극대화시켰다.

□ 습식 전기분무 공정은 고전위를 슬러리에 인가해 전극 제조공정 중 전기적 척력으로 촉매와 이오노머의 고분산을 지속적으로 유지하는 것이 가능하다. 이러한 과정으로 이오노머의 박막화, 고분산화가 가능하며, 형성된 이오노머 층은 촉매의 피독률은 저감시키고 산소 이동 거리를 기존의 20~30% 수준으로 낮춰 백금 촉매의 이용률을 기존 대비 3배 이상으로 극대화시켰다.

■ 기존의 박막전극은 이오노머 함량을 낮출 경우 전극 표면의 촉매 함량이 증가하면서 친수성이 높아져 연료전지 발전 시 생기는 물을 제거하기 어려운 단점이 있다. 이에 반해 개발된 기술은 전극 위에 코팅된 이오노머의 형상을 역마이셀* 형태로 제어해 발수성을 가지는 전극을 구현하고 발전 시 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

□ 고전류 운전모드 시 전극 내 발생된 물이 연료를 전달하는 통로를 막게 되면서 연료공급부족 현상을 일으키게 된다. 또한, 전극 내 누적된 물은 연료전지 부식 반응을 활성화함으로써 촉매 지지체의 내구성에도 악영향을 준다.

■ 또한, 이 기술은 전극직접코팅 방식으로 공정이 단순하며 연속식 양산라인으로의 확장성 역시 우수해 기존 공정 대비 양산설비 설치비용은 1/2수준으로 절감되며 양산속도는 2배 이상 향상 될 수 있을 것으로 기대된다.

■ 이 세계최고 수준의 결과는 환경공학 분야 저명 국제학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 비-인바이론멘탈(Applied Catalysis B-Environmental)-IF19.503, JCR Environmental Engineering 분야 1위, 상위 0.73%’에 8월 10일자 온라인 판에 게재됐다.

■ 연료전지실증연구센터 정치영 박사는 “이번 연구를 통해 차량용/건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 저감할 수 있는 차세대 전극 제조 원천기술이 확보됐다.”며 “전극직접코팅 방식을 적용함으로써 MEA의 양산성도 확보되어 이를 통해 정부가 추진 중인 탄소중립 실현을 위한 연료전지 보급률 달성에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구는 한국에너지기술연구원의 기본사업인 ‘고분자 연료전지 성능 및 내구성 향상을 위한 멀티스케일 촉매층 기반 MEA 양산 기술 개발’ 과제의 일환으로 수행됐다.