[투데이에너지 홍시현 기자] 국내 연구진이 수송용/건물용 연료전지 MEA(Membrane Electrode Assembly, 막전극접합체) 단가를 저감할 수 있는 제조 원천기술과 양산성을 확보해 국내 중소기업에 기술을 이전했다. 연료전지 제조단가를 30% 이상 절감할 수 있는 핵심기술로 국내 기업의 양산성과 경쟁력을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에너지연)은 비나텍(주)(대표 성도경)과 22일 대전 본원에서 ‘정전식 전기분무 기반 연료전지 MEA 양산 핵심기술 및 노하우’ 기술이전계약 체결식을 가졌다.
기존의 MEA는 대량생산 시 슬러리 공정을 통해 백금 촉매와 나피온 이오노머가 혼합돼 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. 또한 전극 간접전사코팅 방식을 채택하고 있어 양산성 측면(생산속도, 대면적화)에서 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 에너지연 연료전지실증연구센터의 정치영 박사 연구진은 전기분무법을 통한 백금 사용량 저감 MEA 제조 원천기술을 확보하고 다중-노즐(Multi-nozzle) 방식을 사용해 대면적 MEA의 대량생산 공정 핵심기술을 개발했다.
연구진은 정전식 전기분무 공정을 통해 전극 표면에 이오노머를 정밀 제어해 얇고 균일한 나피온 이오노머를 형성하는 새로운 수직 구조의 전극을 설계했다. 전기분무 공정은 전극 잉크 내 고전위를 인가함으로써 형성되는 전기적 척력으로 촉매와 이오노머의 고분산을 지속적으로 유지하는 것이 가능하다. 이를 통해 전극 층 내 사용되는 백금 촉매의 피독률은 저감시키고 이용률은 기존 대비 3배 이상으로 극대화시켰다.
또한 전극 위에 코팅된 이오노머의 형상을 역마이셀 형태로 제어해 발수성을 가지는 전극을 구현하고, 이를 통해 연료전지 구동 시 제거하기 어려웠던 내부에서 발생하는 물을 쉽게 제거해 연료전지 운전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
연구진이 개발한 기술을 통해 백금 사용량을 상용 MEA의 20% 수준까지 획기적으로 저감함으로써 미국 에너지성(US DOE)에서 제시한 기술적 목표를 조기 달성했다. 또한 개발된 공법은 전극 직접코팅 방식으로 공정이 단순하고 확장성이 우수하며 다중 노즐 방식을 사용해 양산설비 설치비용은 1/2수준으로 절감, 양산속도는 2배 이상 향상시킬 수 있다.
연구책임자인 정치영 박사는 “이번 연구를 통해 차량용/건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 저감할 수 있는 차세대 MEA의 양산 핵심기술이 확보됐다”며 “Roll-to-roll 공정과 전극직접코팅 방식을 채용할 수 있어 국내 수요기업의 기술 양산성과 제품 경쟁력을 크게 높일 수 있다”고 밝혔다.
성도경 비나텍 대표는 “기존 당사가 보유한 연료전지 핵심기술과 이번 도입기술의 시너지를 통한 기술 초격차로 연료전지 시장 확대의 난제인 가격과 성능의 한계를 극복해 해외시장에서의 비약적인 매출 증대가 예상된다”고 밝혔다.
MEA(Membrane Electrode Assembly, 막전극접합체): 연료전지 전극과 전해질막이 접합된 핵심 부품으로써, 주입된 수소와 공기 연료가 전기화학 반응을 일으켜 실제 전기를 생산. 사람의 심장과 같은 역할을 담당하고 있어 “연료전지의 심장”이라는 별칭을 가지고 있음. 연료전지 스택 원가의 약 40% 차지.
나피온(Nafion): 불소계 수소이온 전도성 고분자 전해질(DuPont 社), 이오노머는 수소이온을 촉매층 내부로 전달하는 한편 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할 수행.
역마이셀(reverse micelle): 양친성 물질의 소수성 부위는 외부로 향하고, 친수성 부위는 내부로 향하는 폐쇄형 미세 구조.