[월간수소경제 편집부] 현재 청정에너지로의 전환에서 수소가 핵심적인 역할을 하는 데는 의심의 여지가 없다. 수소는 지속 가능한 저탄소 에너지 시스템을 구현한다는 고어의 글로벌 비전에서 가장 핵심적인 요소이다. 

또한 수소산업의 주요 다운스트림 애플리케이션인 연료전지의 기술 성숙도는 나날이 향상되고 있다. 이는 고어에서도 예외가 아니다.

특히 운송부문은 새로운 에너지원으로서 수소를 빠르게 도입하고 있는데, 필수적인 요소 중 하나가 바로 PEM(양성자 교환막) 연료전지 스택이다. 수소차 상용화를 가속화 하려면 연료전지 스택 및 시스템의 성능과 신뢰성을 빠르게 개선해야 하는데, 이때 절대적으로 필요한 것이 고도의 멤브레인 기술력이다.
 
연료전지-멤브레인 기술 협업 중요성
현재 운송부문의 탄소배출 감축에 기여할 수 있는 두 가지 기술은 바로 수소차와 배터리 전기차이다. 이중 수소차는 3~5분에 불과한 충전시간, 400마일 이상의 주행거리, 빠르게 확장되고 있는 수소 인프라를 바탕으로 엄청난 모멘텀을 보이며 미래 모빌리티의 새로운 가능성을 제시하고 있다. 

연료전지 기술에는 여러 가지가 있는데, 그중에서도 PEM 연료전지는 차량용 애플리케이션에다양한 가능성을 제공한다. 

PEM 연료전지는 SOFC(고체산화물 연료전지) 및 DMFC(직접 메탄올 연료전지)와 비교했을 때 높은 출력밀도, 낮은 중량·부피, 폭넓은 작동온도 등의 장점이 있고, 예열이 필요하지 않다. (그림1)

따라서 자동차 회사들이 승용·상용차부터 장거리용 화물차까지 더욱 포괄적인 연료전지 기반의 제품을 선보일 수 있게 한다. 이러한 우수한 특성으로 인해 PEM 연료전지 스택 및 시스템은 전체 연료전지 시장의 64%를 차지하고 있다.(그림2)

PEM 연료전지 기술의 잠재적인 이점을 고려하면 자동차 회사들이 수소차 개발에 투자할 수밖에 없다. 그러나 규모의 경제를 실현하기 위해서는 경제성과 경쟁력을 겸비한 기술이 필요하다. 연료전지 스택 엔지니어들은 멤브레인 기술 전문기업과 협업해 PEM, 스택 및 시스템을 최적화해야만 그 기술을 광범위하게 사용할 수 있고, 수소차 상용화를 위한 다음의 세 가지 니즈를 충족할 수 있다.

먼저 ‘신뢰할 수 있는 성능’이다. 이는 PEM의 출력밀도·내구특성 및 스택·시스템에서 성능 최적화를 위한 멤브레인 기술 활용방법에 대한 전문성을 의미한다. 

두 번째는 ‘전문적인 기술 지원’이다. 이는 차량 개발 목표를 달성하는 데 적합한 솔루션 및 전문기술을 제공할 수 있음을 뜻한다.

세 번째는 일관된 품질이 확보되고 대량생산을 가능하게 하는 연료전지 부품·소재의 ‘안정적인 공급망’을 유지하는 것이다.
 
신뢰할 수 있는 성능
수소를 에너지로 변환하는 연료전지 내에서 PEM은 공기(산소)와 수소를 분리하고, 산화 전극(+극, Anode)에서 환원 전극(-극, cathode)으로 양성자를 운반하며, 셀 내부에서 단락(short-circuiting)을 방지하는 역할을 한다는 점에서 필수적인 구성요소이다.

차량용 연료전지 스택의 PEM이 고온·저습 환경에서 뛰어난 성능을 제공하고 안정적으로 사용되려면 높은 이온 전도도 및 그로 인한 우수한 출력밀도, 화학적 열화에 대한 저항성 및 기계적 강도, 그리고 낮은 가스 투과성을 보유해야 한다. 

PEM이 얇을 수록 막의 저항이 줄어들고 물의 이동이 원활해진다. 특히 상대습도가 낮은 영역에서 성능 향상을 기대할 수 있다. 반면에 얇은 PEM은 기계적 특성에 영향을 미쳐 연료전지의 수명이 저하될 수 있다. 

또한 PEM이 얇아지면 가스 크로스오버가 증가하고, 이로 인해 연료 효율이 낮아질 뿐만 아니라 화학적 열화를 가속화 하는 유해 라디칼기(OH-) 농도가 증가해 제품수명이 단축될 수 있다. 

이러한 트레이드오프(trade-off)는 PEM을 연신된 폴리테트라플루오로에틸린(ePTFE)으로 강화하면 크게 줄일 수 있다. 

수십 년간의 소재 엔지니어링 경험을 바탕으로 개발된 고어의 강화 PEM 기술은 고도로 설계된 ePTFE, 고성능 이오노머 및 화학적 열화를 방지하기 위해 독점적으로 개발된 멤브레인 첨가제가 한데 결합한 결과물로, 특정 애플리케이션의 요구사항에 적합한 낮은 저항과 고내구성의 특징을 갖고 있다. (그림3) 

최종 애플리케이션의 성능과 비용을 최적화하려면 PEM 소재와 설계뿐만 아니라 연료전지 스택 및 시스템 사이의 상호작용과 트레이드오프를 이해하기 위한 포괄적인 관점에서의 지속적인 R&D 활동이 수반되어야 한다.
 
전문적인 기술 지원
PEM의 연구·개발, 생산, 상용화 단계를 거칠 때마다 새롭거나 기존과는 다른 제품 요구사항이 나타난다. 자동차 기업의 특수한 애플리케이션 니즈를 충족하기 위해서는 이를 지원할 수 있는 기술력과 지식을 겸비한 PEM 전문기업이 필요하다. 

부품 공급사라면 자사 부품을 사용할 때 발생할 수 있는 성능 차원의 트레이드오프 및 연료전지 스택·시스템 내 다른 부품과의 상호작용에 대해 깊은 전문성을 보유하고 있어야 한다. 

PEM과 관련해 고어는 자체 개발한 독보적인 모델링 방법과 연료전지 실제 작동 조건을 기반으로 하고, 다양한 구동 조건 등을 고려한 테스트 기법을 바탕으로 이러한 상호작용에 대한 심도 있는 이해를 자랑하며, 제품 설계의 가속화를 지원하고 있다.

특히, 선도적인 PEM 공급사라면 실제 작동 조건과 비슷한 전기화학 분석을 수행해 소재 변경으로 인해 시간이 지나면 발생할 수 있는 성능저하 및 출력 손실의 원인을 파악할 수 있어야 한다. 

또 자동차 기업의 협력사는 현장에서 회수된 MEA(막전극접합체)와 PEM 스택의 고장 모드(failure mode) 및 메커니즘을 진단하기 위한 연료전지 사후분석이 가능한 툴을 보유하고 있어야 한다. 

아울러 복잡한 문제를 해결하는 데 필요한 표면 분석, 발열·기계·화학 특성 정의, 화학 분석, 미세구조 분석 등 전 세계를 아우르는 포괄적인 분석 자원이 뒷받침되어야 진정한 기술 지원이라고 할 수 있다.

안정적인 공급망
자동차 기업들이 연료전지 양산 단계로 이동하는 상황에서, PEM 제조사는 일관된 고성능과 높은 수율을 보장하는 동시에 제품 비용과 품질의 리스크를 최소화해야 한다. 원자재의 일관성 및 멤브레인 정밀코팅 기술을 보유한 PEM 공급사는 셀 간 격차를 최소화함으로써 일관되고 탁월한 품질의 제품을 공급할 수 있다.(그림4) 

이에 따라 연료전지 스택 제조사들은 셀 내 및 셀 간 성능 편차를 정밀하게 제어할 수 있게 되어 스택 수율 확대, 비용 절감 및 스택 수명 연장의 효과를 누릴 수 있다.

원자재 공급도 중요한 고려사항이다. 폭넓은 R&D 협업 및 협력사와의 굳건한 파트너십을 통해 오랜 기간에 걸쳐 검증되고 안정적인 원자재 공급망을 확보한 PEM 제조사는 소수에 지나지 않는다. 

게다가 업계의 수요를 충족하는 고성능 PEM을 대량 공급할 수 있는 기업을 찾기란 더욱 어렵다. 고어는 이러한 역량이 성공의 핵심요소임을 인식하고, 독보적인 ePTFE 강화막에 대한 전문성과 글로벌 자원망을 활용해 공급·공정 안정성 및 양산에서의 일관된 품질을 제공한다. 

화물 운송을 위한 연료전지 기술의 상용화
현재 연료전지 기술은 수소 승용차를 대상으로 효과적으로 개발되어 적용되거나 테스트되고 있다. 여기서 얻은 발전된 기술과 지식 덕분에 PEM 기술의 이점이 여타 교통 분야에도 적용될 수 있다는 점은 매우 좋은 소식이다. 연료전지 기술을 화물 운송용으로도 상용화 할 수 있는 기반이 되는 것이다. 

상용 애플리케이션을 위한 연료전지시스템 개발사들은 현재 고어의 PEM 기술 발전을 바탕으로 자사의 기술을 확장하기 위한 유사한 협업 모델을 모색하고 있다. 

여기에는 확실한 이점이 존재한다. 청정수소 연료로 달리는 트럭은 더욱 가벼운 연료전지 스택을 사용할 수 있어 주행거리 증가 및 효율성 개선 효과를 누릴 수 있고, 그 결과 경쟁이 치열한 해당 산업에서 핵심 성과지표인 총 소유비용(TCO)을 절감할 수 있다. 

결론적으로 연료전지 스택 엔지니어들은 멤브레인 기술 전문기업과 협업해야 수소차 상용화를 위한 PEM, 스택 및 시스템 차원의 세 가지 니즈, 즉 ‘신뢰할 수 있는 성능’, ‘전문적인 기술 지원’, ‘안정적인 공급망’을 확보할 수 있다. 이를 통해 모든 유형의 자동차 기업들이 수소 중심의 미래에 대비할 수 있다.

한편 고어 및 GORE-SELECT® 멤브레인에 대한 자세한 내용은 GORE® Fuel Cell Technologies | Hydrogen Electricity Conversion와 W. L. Gore & Associates를 방문하면 된다.