[ATN뉴스=이기종 기자] 한국에너지기술연구원은 비나텍㈜)과 ‘정전식 전기분무 기반 연료전지 MEA 양산 핵심기술 및 노하우’ 기술 이전에 관한 체결식을 가졌다고 25일 밝혔다.

연료전지 전극와 전해질막이 접합된 핵심 부품인 MEA(Membrane Electrode Assembly)는 대량생산시 슬러리 공정을 통해 백금 촉매와 나피온 이오노머가 혼합되어 있는 형태로 제작한다.

이로 인해 촉매 슬러리의 분산/코팅/건조 과정에서 이오노머가 응집 현상이 일어나 백금 촉매 표면으로 나피온(Nafion) 이오노머(ionomer)의 접근성이 악화돼 산소전달 저항이 증가하고 촉매의 활성을 떨어뜨린다.

나피온 이오노머는 수소이온을 촉매층 내부로 전달하는 한편 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할을 한다.

또 전극 간접전사코팅 방식을 채택하고 있어 양산성 측면(생산속도, 대면적화)에서 단점을 가지고 있다.

에너지연 연료전지실증연구센터 정치영 박사팀은 이러한 단점을 극복하기 위해 전기분무법을 통한 백금 사용량 저감 MEA 제조 원천기술을 확보하고 다중-노즐(Multi-nozzle) 방식을 사용해 대면적 MEA의 대량생산 공정 핵심기술을 개발했다.

연구과정을 보면 정전식 전기분무 공정을 통해 전극 표면에 이오노머를 정밀 제어해 얇고 균일한 나피온 이오노머를 형성하는 새로운 수직 구조의 전극을 설계했다.

이 과정에서 전기분무 공정은 전극 잉크 내 고전위를 인가함으로써 형성되는 전기적 척력으로 촉매와 이오노머의 고분산을 지속적으로 유지하는 것이 가능하다.

또 전극 층 내 사용되는 백금 촉매의 피독률은 저감시키고 이용률은 기존 대비 3배 이상으로 극대화시켰다.

이어 전극 위에 코팅된 이오노머의 형상을 역마이셀(reverse micelle) 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.

역마이셀(reverse micelle)은 양친성 물질의 소수성 부위는 외부로 향하고 친수성 부위는 내부로 향하는 폐쇄형 미세 구조이다.

이 연구결과에 의하면 전극 직접코팅 방식으로 공정이 단순하고 확장성이 우수하며 다중 노즐 방식을 사용해 양산설비 설치비용은 1/2수준으로 절감, 양산속도는 2배 이상 향상시켰다.

특히 이번 개발한 기술을 통해 백금 사용량을 상용 MEA의 20% 수준까지 저감함으로써 미국 에너지성(US DOE)에서 제시한 기술적 목표를 조기 달성했다.

이번 비나텍㈜)과 ‘정전식 전기분무 기반 연료전지 MEA 양산 핵심기술 및 노하우’ 이전에 관한 체결식은 지난 22일 대전 본원에서 이뤄졌으며 에너지연 김종남 원장, 비나텍 성도경 대표이사 등 관계자 6명이 참석했다.

기술 이전과 관련해 비나텍㈜ 성도경 대표이사는 “기존 당사가 보유한 연료전지 핵심기술과 이번 도입기술의 시너지를 통한 기술 초격차로, 연료전지 시장 확대의 난제인 가격과 성능의 한계를 극복하여 해외시장에서의 비약적인 매출 증대가 예상된다”고 설명했다.

이어 에너지연 수소에너지연구본부 연료전지실증연구센터 정치영 박사는 “해당 기술은 전극 직접코팅 방식을 채용하여 연료전지 MEA 양산 특성을 향상시킨 점에서 주목받고 있다”고 하면서 “가격이 기존 60%수준의 백금 저사용 MEA 생산속도를 2배 이상 높이고 2030년경 연간 최대 천만장 생산이 가능해 전 세계 수소 연료전지 시장에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.