연세대학교 설용건 명예교수(화공생명공학과), 전유권 교수(미래캠퍼스 환경에너지공학부), 지윤성 박사(극한물성소재초고부가부품KIURI연구단) 연구팀은 고온 처리된 탄소 나노 섬유 구조체를 통해 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에서 저백금 전극의 성능 및 내구성을 크게 증진시키고 높은 공정 효율을 가진 전극 제조 기술을 구현했다.
PEMFC 기술은 현재 상용화 단계에 이르러 연료전지 제조에 사용되는 다양한 소재의 대량 생산을 통한 단가 절감을 꾀하고 있다.
하지만 촉매로 사용되는 백금계 소재는 대량 생산을 해도 비용 절감이 크지 않아 생산량을 늘리면 최종 가격에서 차지하는 비율이 약 40％에 이르게 된다.
따라서 백금 촉매를 사용해 제조된 전극 층의 활성을 높이고 내구성을 확보해 효율성을 높이면 연료전지 시장 보급에 크게 기여할 수 있다.
연세대 연구팀이 개발한 전극은 단일 백금과 탄소로만 구성됨에도 필요한 출력을 얻기 위해 사용되는 백금의 양을 기존 대비 획기적으로 줄이고 전극층 탄소 부식에 대한 저항성을 DOE(Department of Energy) 프로토콜로 검증해 2025년 DOE 목표 기준의 MEA(Membrane Electrode Assembly, 막-전극접합체) 성능 및 내구성을 달성했다.
이는 수소 자동차 원가에서 MEA 스택이 차지하는 비용을 기존 대비 1/6 이하로 줄일 수 있는 수치로, 본 기술은 연료전지 가격 경쟁력을 높이고 수소 경제 기반 에너지 사회 구축을 앞당길 수 있는 가능성을 제시했다.
한편, 기존 연료전지 전극은 백금, 탄소, 이오노머를 용매에 분산해 고분자 전해질막 위에 코팅하는 방식으로 제작되는데, 이때 각 구성 성분의 상호 작용에 따라 최종 결과물이 달라지며, 구성 성분 중 하나만 변경돼도 최종 결과물의 나노 스케일 배열에 크게 영향을 미쳐 범용 기술로서 한계가 있다.
이에 전극 층의 구조를 능동적으로 제어하고 촉매 활성점과 이오노머 구성을 최적화해 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다.
연세대 연구팀은 전기방사 방식으로 2,500℃의 고온에서 흑연화 과정을 거쳐 고온 처리된 탄소 나노 섬유 전극을 제조했다.
제조된 탄소 나노 섬유층은 구조적·화학적 안정성을 갖췄으며, 촉매와 이오노머가 물리적·화학적으로 고정될 수 있는 공간을 제공한다.
또한, 연결성이 좋은 매크로 기공을 지니고 있어 전극 내부에서 기체 반응물의 전달 현상을 늘릴 수 있다.
이러한 기능적 장점과 더불어 제작 방법에도 장점도 있다. 본 연구에서는 탄소 나노 섬유 구조체를 뼈대로 사용하고 백금과 이오노머를 그 위에 도포했다.
이로써 재료의 공간적 분포를 제어하고 재료 도포 및 열 압착을 통해 전해질막에 간단하게 고정이 가능해 MEA 제조 간소화를 통한 공정 효율성 향상이 기대된다.
연세대 연구팀은 "개발한 탄소 나노 섬유 전극을 활용하면 촉매와 이오노머의 조합을 변경하더라도 구조적 특징이 크게 변하지 않아 촉매와 이오노머 각각의 제어 및 제어 결과를 분석할 수 있는 플랫폼 기술로도 사용 가능할 것"이라고 전했다.
본 연구는 한국연구재단, 키우리사업 및 지자체-대학 협력기반 강원지역 혁신사업(RIS) 지원으로 수행됐다.
연구 성과는 세계적 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science advances, IF 14.980, JCI 다학제 분야 상위 3.33％)'에 4월 28일(현지 시각) 게재됐다.
