수송·건물용 연료전지 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly) 단가를 저감할 수 있는 원천기술이 국내 기술기반으로 확보됐다. 이를 통해 공정 단순화가 가능해져 MEA의 대면적화와 양산화 가능성이 확인됐다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남) 연료전지실증연구센터 정치영 박사 연구진은 이성철 한양대 화학공학과 교수와 공동연구를 통해 습식 전기분무방식 기반 연료전지 전극 내 이오노머 나노제어기술을 통한 백금 사용량 저감 MEA 제조 원천기술을 개발했다고 밝혔다.
이번 기술개발을 통해 백금 사용량을 0.1mg/cm² 수준으로 획기적으로 저감, 미국에너지성에서 제시한 기술목표를 조기달성하는 성과를 이뤘다.
선진국 등 많은 나라에서 잇따른 탄소중립 선언과 함께 수소경제 전환기조가 이어지고 있다. 이에 대한 대응기술로 수소와 연료전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 수소의 생산-저장·이송-활용단계로 구분되는 수소경제에서 활용의 핵심 역할인 연료전지는 수송, 발전 등 다양한 용도로 확대되며 세계시장 규모는 연평균 30%씩 성장해 2030년에는 약 50조원 규모로 전망된다.
고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 수송·건물용 발전을 위한 차세대 에너지 변환장치로써 주목받고 있다. PEMFC는 고분자로 이뤄진 막을 전해질로 사용하는 연료전지로 저온에서 반응이 일어나며 높은 에너지밀도와 효율을 가져 교통수단의 동력, 현지 설치형 발전 등 활용범위가 넓다.
PEMFC에서 전극은 슬러리 공정을 통해 백금촉매와 나피온 이오노머가 혼합돼있는 형태로 제작된다. 그러나 촉매 슬러리의 분산·코팅·건조과정에서 이오노머의 응집현상이 일어나 백금촉매 표면으로 나피온 이오노머의 접근성이 약화돼 산소전달 저항이 증가하고 촉매의 활성을 떨어뜨린다.
이에 따라 생산단가 저감을 위해 백금사용량을 현재 0.5mg/cm² 수준에서 0.1mg/cm² 이하로 낮추면서 산소전달 저항을 최소화할 수 있는 한층 더 높은 수준의 전극설계 및 제조 핵심기술이 필요했다.
백금촉매 이용률 기존比 3배 향상
이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 습식전기분무 공정을 통해 전극 표면에 이오노머를 2㎛ 수준으로 정밀제어해 얇고 균일한 나피온 이오노머를 형성하는 새로운 수직구조 전극을 설계했다.
수직구조 전극은 백금촉매, 나피온 이오노머, 공극을 수직으로 배열해 반응에 필요한 이온, 전자, 산소 이동거리 등을 최적화함으로써 연료전지 성능을 극대화했다.
습식전기분무 공정은 고전위를 슬러리에 인가해 전극 제조공정 중 전기적 척력으로 촉매와 이오노머의 고분산을 지속 유지하는 것이 가능하다. 이러한 과정을 통해 이오노머의 박막화, 고분산화가 가능하며 형성된 이오노머층은 촉매의 피독율을 감소시키기고 산소이동거리를 기존대비 20~30% 수준으로 낮춰 백금촉매의 이용률을 기존대비 3배 이상 향상시킨다.
기존 박막전극은 이오노머 함량을 낮출 경우 전극표면에 촉매함량이 증가하면서 친수성이 높아져 연료전지 발전 시 발생하는 물을 제거하기 어렵다.
또한 고전류 운전모드 시 전극 내 발생된 물이 연료를 전달하는 통로를 막게 되면서 연료공급부족형산이 발생하게 된다. 또한 전극 내 누적된 물은 연료전지 부식반응을 활성화함으로써 촉매 지지체의 내구성에도 악영향을 준다.
이에 반해 이번에 개발된 기술은 전극 위에 코팅된 이오노머 형상을 역마이셀 형태로 제어해 발수성을 가지는 전극을 구현하고 발전 시 발생하는 물을 쉽게 제거해 연료전지 운전성능 및 내구성을 향상할 수 있다.
특히 전극직접코팅 방식으로 공정이 단순하며 연속식 양산라인으로의 확장성 역시 우수해 기존 공정대비 양산설비 설치비용은 50% 수준으로 절감되며 양산속도는 2배 이상 향상될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구성과는 환경공학분야 저명 국제학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 비-인바이론멘탈(Applied Catalysis B-Environmental)-IF19.503, JCR Environmental Engineering분야 1위, 상위 0.73%’에 8월10일자 온라인 판에 게재됐다.
정치영 연료전지실증연구센터 박사는 “이번 연구를 통해 수송·건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 저감할 수 있는 차세대 전극제조 원천기술이 확보됐다”라며 “전극직접코팅 방식을 적용함으로써 MEA의 양산성도 확도돼 이를 통해 정부가 추진 중인 탄소중립 실현을 위한 연료전지 보급률 달성에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편 이번 연구는 에너지기술연구원 기본사업인 ‘PEMFC 성능 및 내구성 향상을 위한 멀티스케일 촉매층 기반 MEA 양산기술 개발’과제의 일환으로 수행됐다.
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