▲ 에너지연에서 개발한 정전식 전기분무 코팅장비.(사진=에너지연)

[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’)은 비나텍과 8월 22일 11시 대전 본원에서 ‘정전식 전기분무 기반 연료전지 MEA 양산 핵심기술 및 노하우’ 기술이전 계약을 체결했다고 밝혔다.

이날 행사에는 에너지연 김종남 원장, 비나텍 성도경 대표이사 등 관계자 6명이 참석했다.

기존의 MEA(막전극접합체)는 대량생산 시, 슬러리 공정을 통해 백금 촉매와 나피온 이오노머가 혼합되어 있는 형태로 제작한다.

하지만 촉매 슬러리의 분산‧코팅‧건조 과정에서 이오노머의 응집 현상이 일어나 백금 촉매 표면으로 나피온 이오노머의 접근성이 악화돼 산소 전달 저항이 증가하고, 촉매의 활성을 떨어뜨린다. 또 전극 간접전사코팅 방식을 채택하고 있어 양산성(생산속도, 대면적화)에 단점이 있다.

이를 극복하기 위해 에너지연 연료전지실증연구센터 정치영 박사 연구진은 전기분무법을 통한 백금 사용량 저감 MEA 제조 원천기술을 확보하고, 다중노즐 방식을 사용해 대면적 MEA를 대량생산하는 핵심 공정기술을 개발했다.

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

▲ 정전식 전기분무 공정에 기반한 신규 제조공정 순서도.(사진=에너지연)

전기분무 공정은 전극 잉크 내 고전위를 인가할 때 형성되는 전기적 척력으로 촉매와 이오노머의 고분산을 지속적으로 유지하는 것이 가능하다. 이를 통해 전극층에 사용되는 백금 촉매의 피독률을 저감시키고 이용률을 기존 대비 3배 이상으로 높였다.

또 전극 위에 코팅된 이오노머의 형상을 역마이셀(reverse micelle) 형태로 제어해 발수성을 가지는 전극을 구현, 연료전지 구동 시 제거하기 어려웠던 내부에서 발생하는 물을 쉽게 제거해 연료전지의 운전 성능과 내구성을 향상시켰다.

연구진이 개발한 기술을 통해 백금 사용량을 상용 MEA의 20% 수준까지 크게 저감했으며, 전극 직접코팅 방식을 적용해 공정이 단순하고 확장성이 우수하며, 다중노즐 방식을 통해 양산설비 설치비용을 절반으로 낮추면서 양산속도는 2배 이상 높였다.

연구책임자인 정치영 박사는 “이번 연구를 통해 차량용‧건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 저감할 수 있는 차세대 MEA의 양산 핵심기술이 확보됐다”며 “롤투롤 공정과 전극 직접코팅 방식을 채택할 수 있어 국내 수요기업의 기술 양산성과 제품 경쟁력을 크게 높일 수 있다”고 밝혔다.

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