수소 연료전지 원가·공정비 대폭 낮추는 신기술 나왔다

한국에너지기술연구원, 백금 촉매 사용량 5분의1로 줄이는 공법 개발

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 차세대 에너지원으로 급부상하고 있는 수송·건물용 연료전지를 싼 값에 만들 수 있는 원천기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원은 정치영 연료전지실증연구센터 박사 연구팀이 이성철 한양대 화학공학과 교수와 공동 연구를 통해 습식 전기분무 방식에 기반한 연료전지 전극 내 이오노머 나노제어 기술을 통한 백금 사용량 저감 MEA(Membrane Electrode Assembly·막전극접합체) 제조 원천 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. MEA란 연료전지 전극과 전해질막이 접합된 핵심 부품으로 수소와 산소가 반응할 때 실제 전기화학반응이 일어나 전기를 만드는 부분이며 고가의 원료인 백금으로 만들어져 연료전지 스택 원가의 약 40% 차지한다.

연구팀은 단가를 저감할 수 있는 원천기술을 확보하고 공정의 단순화로 고부가제품인 MEA의 대면적화와 양산의 길을 열었다. 백금 사용량을 0.1㎎/㎠)수준으로 획기적으로 줄였다. 이는 미국 에너지성(US DOE)에서 제시한 기술적 목표(US DOE 2025 Target)인 차량용 연료전지의 정량적 성과(2025년 기준 백금 사용량 0.1㎎/㎠)를 충족하는 기술이다.

연료전지는 기후 온난화를 막기 위해 전세계 국가들이 탄소중립 선언과 함께 수소경제로 전환하면서 새로운 대안 에너지원으로 각광받아 집중적인 연구가 이뤄지고 있다. 수송, 발전 등 다양한 용도로 쓰임새가 확대되고 있다. 세계 시장 규모는 연평균 30%씩 성장해 2030년에는 약 50조원 규모로 전망된다.

특히 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.

문제는 현재 기술로는 비용이 많이 든다는 것이다. 고분자 연료전지의 전극은 슬러리 공정을 통해 값 비싼 백금 촉매와 나피온(불소계 수소이온 전도성 고분자 전해질) 이오노머(수소이온을 촉매층 내부로 전달하는 한편 촉매층을 서로 붙여주는 접착제)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.

연구팀은 백금 촉매 사용량을 현재 0.5㎎/㎠ 수준에서 0.1㎎/㎠ 이하로 낮추면서 산소 전달 저항을 최소화할 수 있는 한층 더 높은 수준의 전극 설계 및 제조 핵심기술을 개발해냈다. 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. 전극직접코팅 방식으로 공정이 단순하며 연속식 양산라인으로의 확장성 역시 우수해 기존 공정 대비 양산 설비 설치 비용은 절반 수준으로 절감되며 양산 속도는 2배 이상 향상 될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 환경공학 분야 국제학술지인 ‘Applied Catalysis B -Environmental(IF19.503, JCR Environmental Engineering 분야 1위, 상위 0.73%)’에 지난달 10일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr