에너지연, 연료전지 MEA 백금 사용량 저감 기술 개발

국내 연구진이 수송용·건물용 연료전지 MEA(막전극접합체) 단가를 저감할 수 있는 원천기술을 확보했다. 이에 따라 MEA 대면적화와 양산에 초록불이 켜졌다.

한국에너지기술연구원은 연료전지실증연구센터 정치영 박사 연구팀이 한양대 연구팀과 습식 전기분무 방식에 기반한 연료전지 전극 내 이오노머 나노제어 기술을 통한 백금 사용량 저감 MEA 제조 원천기술을 개발했다고 2일 밝혔다

개발한 기술을 통해 백금 사용량을 0.1mg/cm2 수준으로 획기적으로 저감함으로써, 미국 에너지성(US DOE)에서 제시한 기술적 목표를 조기 달성하는 성과를 이뤄냈다.

고분자 연료전지는 수송용·건물용 발전을 위한 차세대 에너지 변환장치로써 주목을 받고 있다. 고분자 연료전지는 고분자로 이뤄진 막을 전해질로 사용하는 연료전지다.

연구진은 습식 전기분무 공정을 통해 전극 표면에 이오노머를 2 나노미터 수준으로 정밀제어해 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.

해당 공정을 통해 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.

또 이번에 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.

고전류 운전모드 시 전극 내 발생된 물이 연료를 전달하는 통로를 막게 되면서 연료공급부족 현상을 일으키게 된다. 또한, 전극 내 누적된 물은 연료전지 부식 반응을 활성화함으로써 촉매 지지체의 내구성에도 악영향을 준다.

또 이 기술은 전극직접코팅 방식으로 공정이 단순하며 연속식 양산라인으로의 확장성 역시 우수해 기존 공정 대비 양산설비 설치비용은 절반 수준으로 절감되며 양산속도는 2배 이상 향상 될 수 있을 것으로 기대된다.

정치영 박사는 ““전극직접코팅 방식을 적용함으로써 MEA의 양산성도 확보되어 이를 통해 정부가 추진 중인 탄소중립 실현을 위한 연료전지 보급률 달성에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.