전 세계의 차세대 녹색산업 선점경쟁이 가속화되는 가운데 ‘연료전지’연구 개발도 치열한 경쟁을 보이고 있다. 특히 수소와 산소의 반응을 통해 실제 전기가 만들어지는 MEA(막전극접합체 : Membrane - Electrode Assembly)는 연료전지의 핵심부품으로, 개발이 어려운 첨단 기술 분야 중 하나이다. 현재 W.L. Gore, 3M, DuPont 등 소수의 글로벌 기업만이 초기양산기술을 확보하고 있다. 한국에너지기술연구원(원장 한문희)은 공정 자체가 극비로 취급되고 있는 MEA 양산을 위해 지난 3년간 노력한 결과, 핵심기술인 슬러리 균질화와 박막 균일 코팅, 전사기술을 확보했다고 밝혔다. 이어 MEA 시험 생산에 성공적으로 적용, 양산화 공정기술을 국내최초로 개발했다. 양산화 공정을 통해 생산된 MEA는 자체 설계한 50㎾급 연료전지 스택에 적용됐으며, 독자 개발한 하이브리드 제어 시스템과 함께 25인승 연료전지버스 FCB(Fuel Cell Bus)에 장착, 시험 운전을 성공적으로 마쳤다. 국내기술로 제작된 MEA 및 연료전지 스택이 장착된 차량은 이번이 처음이다. MEA 제품의 신뢰성 및 성능에 큰 영향을 주는 ‘슬러리 균질화’기술은 MEA 양산공정의 핵심기술 중 하나로 촉매 파우더 및 바인더를 혼합해 잉크 형태의 촉매 슬러리를 만드는 기술이다. MEA 성능 및 신뢰성이 이 단계에서 결정되며, MEA 양산 공정의 핵심 원천 기술 확보라는 측면에서 큰 의의를 지닌다.
한국에너지기술연구원이 개발한 MEA 양산화 공정
또한 막 위에 전극이 코팅되어 있는 형태인 MEA는 촉매 전극이 얼마만큼 얇고 균일하게 코팅되는 정도에 따라 경제성과 성능에 영향을 미친다. 연구원은 촉매 전극을 A4용지 두께의 1/10(대략 10㎛) 정도로 얇고 균일하게 코팅할 수 있는 ‘박막 균일 코팅’기술을 개발, 백금이 주성분인 촉매 전극의 손실되는 양을 기존 공정보다 줄였으며, 고성능 MEA 생산을 위한 발판을 마련했다. 박막 코팅된 전극필름을 전해질막에 옮기는 ‘전사기술’은 고온 고압의 형태를 거치게 되며 이를 얼마나 짧은 시간에 낮은 압력에서 할 수 있느냐가 MEA양산 공정에서 핵심이다. 연구원은 기존 전사공정에 비해 전사 압력 및 공정 시간을 1/10 이하로 단축함으로써 양산공정의 효율성을 크게 향상시켰다.
연구원은 이번 MEA 양산화 공정기술 개발을 통해 대용량 고분자 연료전지 스택에 활용될 대면적 MEA를 생산해 냈다. 이를 50㎾급 연료전지 스택 모듈에 적용한 결과, 현재 세계 최고 수준인 양산 제품과 동등한 성능을 나타내며 내구성은 약 20% 더 우수한 것으로 나타나 이에 따른 경제성도 확보했다. 또한 50㎾스택에 들어가는 MEA의 양은 대략 320장으로, 개개의 품질균일성도 확보해 양산제품과 동등한 수준을 달성했다. 연구원 연료전지연구단 양태현 단장은 “연구원의 양산화 공정을 통해 제작된 MEA를 실제 스택에 적용한 결과, 세계최고수준의 연구그룹 및 회사와 동일하거나 상회하는 결과를 이뤘다”고 밝혔다. 세계 연료전지 시장을 예측한 자료인 ‘World Fuel Cells to 2013(출처 : Freedonia Group Inc. 2009)’에 따르면 2013년경 약 23조 원 규모의 연료전지 시장이 예측된다. 이번 MEA 양산화 공정 개발로 우리나라는 약 5조 원 규모의 MEA 수출 시장에서 유리한 위치를 차지할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 국내 연료전지 연구가 본격적인 기술 확산 단계로 진입하는 데 기폭제 역할을 할 것으로 기대된다. 향후 연료전지 스택 및 발전 모듈 개발은 연료전지 차량, 잠수함, 기차, 가정용 연료전지 등 수송용 및 건물용 시스템에 활용을 목표로 하고 있다. 실제 산업화에 요구되는 내구성과 경제성을 달성하기 위해 공정 최적화 및 장기 성능 확보를 위한 후속 연구도 적극적으로 추진될 예정이다.
MEA(막전극접합체 : Membrane - Electrode Assembly) 연료전지는 물 전기 분해의 역반응에 의해 전기를 만들어낸다. 즉, 물에 전기를 가하면 물이 수소와 산소로 분해되듯이 거꾸로 수소와 산소를 반응시키면 물과 동시에 전기가 발생한다. 수소와 산소가 반응, 실제 전기화학반응이 일어나 전기를 만드는 부분이 MEA이며, 연료전지에서 핵심적인 역할을 한다. MEA는 촉매 파우더가 코팅되어 있는 얇은 필름 형태로 크기는 사용되는 용도에 따라서 동전부터 A4 크기까지 다양하게 만들 수 있다.
FCB(Fuel Cell Bus) 에너지기술연구원이 개발한 연료전지버스는 동력 요구량에 대해 축전지 및 연료전지의 발전량을 최적으로 조절하는 하이브리드 시스템으로, 연료전지 발전 효율을 40% 이상 유지할 수 있다. 350기압을 이용하는 330L 용적의 복합재료 수소 용기 1회 충전으로 기존 전기 버스의 주행거리 및 시간을 300% 이상 향상, 약 250㎞ 이상 주행이 가능하다.
글_백종윤 기자 <한국에너지기술연구원 (042)860-3114 / www.kier.re.kr>
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