에너지연, 연료전지 MEA 백금 사용량 저감 기술로 경제성 높여
습식 전기분무 기반, 이오노머 나노제어 기술을 통해 연료전지 성능과 내구성 혁신
국내 연구진이 수송용/건물용 연료전지 MEA 단가를 저감할 수 있는 원천기술을 확보하고 공정의 단순화로 고부가제품인 MEA의 대면적화와 양산의 길을 열었다.
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.
선진국 등 많은 나라에서 잇따른 탄소중립 선언과 함께 수소경제로의 전환기조가 이어지고, 이에 대한 대응 기술로 수소와 연료전지에 관한 관심이 증가하고 있다. 수소의 생산-저장이송-활용단계로 구분되는 수소경제에서 활용의 핵심적 역할인 연료전지는 수송, 발전 등 다양한 용도로 확대되며, 세계 시장 규모는 연평균 30%씩 성장해 2030년에는 약 50조 원 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 이오노머가 혼합된 형태로 제작한다. 하지만 촉매 슬러리의 분산/코팅/건조 과정에서 이오노머가 응집 현상이 일어나 백금 촉매 표면으로 나피온 이오노머의 접근성이 악화해 산소전달 저항이 증가하고, 촉매의 활성을 떨어뜨린다.
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 수직구조의 전극을 설계했다. 수직구조의 전극은 백금 촉매, 나피온 이오노머, 공극을 수직으로 배열해 반응에 필요한 이온, 전자, 산소의 이동 거리를 최적화함으로써 연료전지 성능을 극대화했다.
i) 외부 가습기와 히터를 이용한 고온다습 환경 조건하에서 전기분무 수행가능한 장치 구성
ii) 보호층에 접합된 나피온 막을 기판으로 습식 전기분무 공정 수행
iii) 제작된 MEA 샘플을 보호층에서부터 물리적으로 수거, iv) 신규 MEA 전용 단위전지 제작 및 평가 Ⓒ한국에너지기술연구원
습식 전기분무 공정은 고전위를 슬러리에 인가해 전극 제조공정 중 전기적 척력으로 촉매와 이오노머의 고분산을 지속해서 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 낮추면 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 향상할 수 있다.
고전류 운전모드 시 전극 내 발생한 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 양산 속도는 2배 이상 향상될 수 있을 것으로 기대된다.
이 세계 최고 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 10일 자 온라인판에 게재됐다.
연료전지실증연구센터 정치영 박사는 “이번 연구를 통해 차량용/건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 줄일 수 있는 차세대 전극 제조 원천기술이 확보됐다.”라며 “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.
