한국에너지기술연구원(원장 김종남) 연료전지실증연구센터 정치영 박사 연구진은 한양대 화학공학과와의 공동연구를 통해 습식 전기분무 방식에 기반한 연료전지 전극 내 이오노머 나노제어 기술을 통한 백금 사용량 저감 MEA 제조 원천기술을 개발, 연료전지 생산단가의 대폭적인 저감과 MEA의 대면적화와 양산화가 가능해질 전망이다.

연구진은 개발한 기술을 통해 배금 사용량을 0.1mg/㎠ 수준으로 획기적으로 저감함으로써 미국 에너지성에서 제시한 기술적 목표를 조기에 달성하는 성과를 이루었다.

연구진은 습식 전기분무 공정을 통해 전극 표면에 이오노머를 2나노미터 수준으로 정밀 제어해 얇고 균일한 나피온 이오노머를 형성하는 새로운 수직구조의 전극을 설계했는데 수직구조 전극은 백금 촉매, 나피온 이오노머, 공극을 수직으로 배열해 반응에 필요한 이온, 전자, 산소의 이동거리를 최적화함으로써 연료전지 성능을 극대화시켰다.

습식 전기분무 공정은 고전위를 슬러리에 인가해 전극 제조공정 중 전기적 척력으로 촉매와 이오노머의 고분산을 지속적으로 유지하는 것이 가능하며, 이러한 과정으로 이오노머의 박막화, 고분산화가 가능하고, 형성된 이오노머 층은 피독률은 저감시키는 한편 산소 이동거리를 기존의 20~30% 수준으로 낮춰 백금 촉매의 이용률을 기존 대비 3배 이상으로 극대화시켰다.

또 이 기술은 전극 직접코팅 방식으로 공정이 단순하고, 연속식 양산라인으로의 확장성 역시 우수해 기존 공정대비 양산설비 설치비용은 1/2 수준으로 절감되며, 양산속도는 2배 이상 향상될 것으로 기대된다.

정치영 박사는 “이번 연구를 통해 차량용/건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 저감할 수 있는 차세대 전극 제조 원천기술이 확보됐다.”며, “전극 직접코팅 방식을 적용함으로써 MEA 양산성도 확보돼 이를 통해 정부가 추진 중인 탄소중립 실현을 위한 연료전지 보급률 달성에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.