[투데이에너지 홍시현 기자] 연료전지 제조에 사용되는 백금 사용량을 줄이는 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 연료전지 제조단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에너지연) 연료전지실증연구센터의 정치영 박사 연구진은 한양대학교 화학공학과(교수 이성철)와 공동연구를 통해 습식 전기분무 방식에 기반한 연료전지 전극 내 이오노머 나노제어 기술을 통한 백금 사용량 저감 MEA(막전극접합체) 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 이뤘다.
연구진은 습식 전기분무 공정을 통해 전극 표면에 이오노머를 2나노미터 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 기존대비 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.
또한 이 기술은 전극직접코팅 방식으로 공정이 단순하며 연속식 양산라인으로의 확장성 역시 우수해 기존 공정대비 양산설비 설치비용은 1/2수준으로 절감되며 양산속도는 2배 이상 향상될 수 있을 것으로 기대된다.
정치영 연료전지실증연구센터 박사는 “이번 연구를 통해 차량용/건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 저감할 수 있는 차세대 전극 제조 원천기술이 확보됐다”라며 “전극직접코팅 방식을 적용함으로써 MEA의 양산성도 확보돼 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.