Win Tech - 저가 고성능 고내구성 고분자 전해질 연료전지용 막전극접합체(MEA)
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 박석희 책임연구원 한국에너지기술연구원 연료전지연구실
연료전지는 1839년 영국의 윌리엄 그로브경에 의해 물의 전기분해의 역반응으로서 처음 발견이 되었으나 실제 사용된 것은 1960년대 미국 우주선인 제미니와 아폴로가 최초였다.
이후 민간의 발전 시스템으로 적용이 가능하게 된 것은 1970년대 미국 듀폰에서 개발한 나피온이라는 고분자 전해질막 덕분이었다.
연료전지는 기존 화력 발전이나 원자력 발전과는 달리 수소와 산소가 전기화학적으로 직접 반응하여 기계적 구동부 없이 높은 효율로 전기를 만들 수 있는 신재생에너지의 하나이다.
따라서 전기효율이 뛰어나고 열효율까지 더하여 시스템 전체 효율은 90% 이상도 가능하다.
소음이 거의 없고 반응물로 물이 전부인 청정에너지로서, 연료인 수소 제조 문제만 재생에너지를 통하여 수전해로 해결이 된다면 아마 가장 이상적인 에너지원이 될 수도 있을 것이다.
또한 수소는 에너지를 저장하는 매개체로 최근 크게 주목을 받고 있다.
재생에너지와 수소 연료전지 기술이 합쳐진 융복합 에너지 시스템이 구축된다면 미래 수소사회의 구현이 크게 당겨질 전망이다.
연료전지는 소형 휴대용 전원부터 연료전지 자동차 및 크게는 발전소를 대체할 수도 있는 등 전기가 필요한 어떠한 곳에도 적용할 수 있다.
현재 분야에 따라서 보급 및 기술 개발이 진행 중이며 가격을 낮추고 내구성을 더 높이기 위해 미국, 일본을 비롯한 세계 각국에서 주도권을 확보하기 위해 노력 중이다.
여러 적용분야 중 양산이 되어 가장 많이 보급된 것은 가정용을 포함한 건물용 연료전지 시스템인인데, 일본이 가장 앞서 있으며 벌써 20만 대 가까이 설치되어 사용하고 있다.
국내의 경우에도 실증 및 보급사업 등으로 약 1,000대가 설치되었는데 성능 면에서는 비슷한 수준이지만 일본에 비해 아직 수명이나 가격에서 뒤처진 상황이다.
하지만 건물용 연료전지를 요즘 크게 이슈가 되고 있는 온실가스 저감이나 기후변화 대응을 위한 대안으로 좀 더 적극적으로 활용하기 위해서는 연료 전지 시스템의 효율을 높이고 단순화하는 것이 필요하다.
현재 세계적인 연구방향은 기존 운전 조건보다 운전 온도를 높이고 저가습 또는 무가습이 가능한 건물용 연료전지 시스템을 개발하는 것이다.
연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지, 알칼리 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 직접 메탄올 연료전지로 나눌 수 있는데, 이 중 건물용 연료전지로 주로 사용되는 것은 고분자 전해질 연료전지이다.
2013년 후지경제에서 발표한 자료에 따르면 전 세계 연료전지 시장은 향후 15년간 약 73배 증가하여 2011년 699억 엔에서 2025년 5조 1,843억 엔에 이를 것으로 예상된다.
산업용 및 가정용 연료전지는 각각 19배, 69배의 성장이 예상되고 있다.
국내에서도 건물용 연료전지의 국내시장이 민간 규제시장, 공공의무화 시장, 정부 및 지자체 보급시장 등으로 지속적으로 확대 및 강화되고 있다.
하지만 시스템 수준에서는 상당한 기술적 수준을 보유하고 있으나 여전히 핵심소재(촉매, 막, MEA)는 모두 수입에 의존하고 있는 상황이다.
따라서 기업이 요구하는 중온 저가습 운전용 고효율 장수명 상업용 스택 개발 수행이 필요하고, 핵심은 원천소재 및 부품의 개발이다.
연료전지 스택용 핵심소재를 국산화하기 위해서는 먼저 고온 저습도 조건에서 불소계 막과 비슷하거나 더 우수한 이온전도도를 가지는 신규 탄화수소 고분자 전해질막의 개발이 필요하다.
또한 고내구성 그라파이트 계열 탄소 지지체 적용(CNT 계열) 혹은 비탄소계 지지체 적용된 촉매 연구가 요구되며 이렇게 개발된 소재들을 이용하여 백금 이용률을 크게 향상시키고 전극 구조가 최적화된 중온 저가습용 MEA를 개발해야 한다.
한국에너지기술연구원에서는 자체 주요 사업으로 중온 저가습용 저가 고성능 고내구성 고분자 전해질 연료전지용 막전극접합체(MEA) 개발을 수행하였으며, 그 결과를 간략하게 소개하려 한다.
먼저 세계 최고 성능의 탄화수소계 고분자 전해질막을 개발하였다.
기존 고가의 불소화 전해질막을 대체할 수 있는 전해질막의 합성 기술을 확보하였고, 저가의 방향족 모노머를 이용하여 고분자량의 멀티블록 고분자를 합성하였다.
고분자 전해질막 친수성 영역의 술폰산기 밀도 증가를 통한 이온전도도를 향상시키기 위해서 친수성 블록에 의한 물의 이동경로를 발달시키고, 소수성 영역(기계적 강도 유지) 및 친수성 영역(이온 전도성 담당)의 상분리를 유지하였다.
이렇게 개발된 전해질막은 고분자 연료전지, 알칼리 연료전지, 레독스 흐름전지, 수전해 장치에도 적용 가능하며 중요한 성능목표인 양이온전도도(80℃, 50% RH 조건)의 경우 기존 상용 제품인 미국 듀폰사 나피온, 솔베이사 아퀴비온의 양이온전도도 0.02S/cm을 크게 능가하는 0.045S/cm의 성능을 달성하였다.
또한 물 관리 특성을 고려한 고내구성 전극 촉매 개발도 개발하였는데 지지체 기공 구조에 따른 물 관리 특성의 제어가 가능하고 촉매 성능을 최적화할 수 있는 기술을 확보하였다.
기공 구조가 제어된 탄소 지지체의 합성과 백금 담지 및 고전압 가속시험을 통한 내구성도 확인하였는데 0.6~1.0V, 10,000 사이클(DOE 가속법) 후 9.8%의 성능 저하만 일어났으며 훨씬 가혹한 조건인 1.3V, 24시간 유지 후 성능 저하율도 42%에 불과하였다.
탄소 지지체의 흑연화 공정 최적화 기술도 확보하였는데 지지체 입자크기, 흑연화도와 고전압 내구성뿐만 아니라 백금이 담지 된 경우의 ORR(Oxygen Reduction Reaction) 성능까지 고려한 제조공정 최적화를 이루었다.
촉매지지체의 기공 및 결정 구조 제어를 통한 성능 및 내구성의 향상을 이루고자 하였고 흑연화 온도(1,900~2,700℃)에 따른 마이크로 및 메조 기공구조 최적화 기술도 확보하였다.
고분자 연료전지의 가격에서 가장 큰 부분을 차지하는 것이 백금 촉매이기 때문에 상용화가 가능한 시스템을 개발하기 위해서는 백금의 사용량을 저감시키는 것이 중요하다.
이 연구에서 중온 저가습용 MEA를 위한 연구를 수행하였는데 가교된 친수성 고분자(PVA)를 이용하여 고분자막의 수화도를 크게 높임으로써 저가습 운전에 유리한 전극을 개발하였다.
이를 MEA에 적용함으로써 기존 상용 MEA 대비 약 25% 이상의 성능 향상 및 3배 이상의 내구성 향상을 이루었다.
이때 백금 촉매의 사용을 최소화하여 국내 최고의 촉매 단위무게 당 전력량인 1.191㎾/g-Pt를 확보하였다.
건물용을 포함한 정지형 연료전지는 현재 실증사업단계를 거쳐 보급 단계로 넘어가는 단계이며 가스 회사, 전지 회사, 전자 회사, 보일러 회사 등에서 많은 관심 및 참여 의사를 보이고 있다.
수명 및 단가 문제의 극복은 추가적인 시간이 소요될 것으로 전망되지만 핵심소재 및 스택 기술은 국내뿐 아니라 세계적으로도 수요가 많은 기술이며 다양한 기업들에 기술이전 또는 협력이 가능하다.
연료전지 단독뿐만 아니라 태양광, 지열, ESS 등의 신재생에너지 관련 기술들과 융복합 시스템을 개발하면 온실가스 저감 및 친환경 분산전원으로의 적용도 가능하다.
그리하여 기존 화력 및 원자력 발전을 대체하여 국가가 설정한 신재생 보급률을 높이는 데 크게 기여할 것으로 판단된다.
현재 신재생에너지 공급 의무 비율 산정시 높은 단위 생산량 및 보정 계수를 적용받고 있어, 공공기관이 신축 및 개축시 적용하는 신재생에너지 설치 의무화 사업에 있어서 타 에너지원에 비해 상당히 유리하며 2016년 도입 예정인 신재생에너지 열생산 의무화 제도(RHO)의 경우에도 도심 지역에 적용되는 건물용 연료전지가 타 신재생에너지원보다 의무 이행에 크게 유리한 상황이다.