“연료전지 전극 출력·안정성 동시 개선”…GIST, 새로운 MEA 구조 개발 : zum 뉴스

동결 주조(freeze-casting) 기법과 직접 전해질막 증착(DMD) 기법의 혼합을 통한 일체형 막-전극 접합체 개략도,

광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 박찬호 화학과 교수와 문승현 환경·에너지공학과 초빙석학교수, 김재훈 포스코 홀딩스 박사가 공동으로 동결건조 과일처럼 내부에 구멍이 많은 다공성 구조를 연료전지 전극 설계에 적용해 연료전지 전극의 출력과 안정성을 동시에 높일 수 있는 새로운 막-전극 접합체(MEA) 구조를 개발했다고 15일 밝혔다.

이번 연구의 핵심은 동결건조 기술로 만든 다공성 촉매층과 전해질막을 연속적으로 하나의 구조로 결합함으로써 연료전지 반응의 핵심 공간인 '삼상계면'을 평면이 아닌 3차원(3D) 입체 구조로 확장했다는 점이다. 가스 확산과 반응 효율을 동시에 개선해 이동형 연료전지 기술로의 활용 가능성을 크게 높였다.

고분자전해질막 연료전지(PEMFC)는 수소로 전기를 만들고 배출가스 대신 물만 내보내는 친환경 에너지 변환 기술로, 수소 전기차를 비롯한 중·대형 운송수단에 폭넓게 활용되고 있다.

하지만 PEMFC에서 백금 촉매 사용량을 줄이면서도 높은 출력과 장기 안정성을 동시에 확보하는 것이 큰 과제다. 실제 반응이 일어나는 삼상계면이 기존 박막형 촉매층에서는 촉매층과 전해질막 사이의 얇은 2차원 계면에 국한돼 가스 확산과 이온 전달이 원활하지 않고 계면 접합 안정성도 떨어진다는 한계가 있었다.

일체형 막-전극 접합체의 전자현미경 (SEM) 단면 및 원소 분포 이미지 (a) 전체 원소, (b) 백금 분포, (c) 불소 분포, (d) 황 분포.

연구팀은 얼음이 한쪽 방향으로 자라도록 하는 동결 주조와 동결건조 공정을 결합한 새로운 전극 제조 방식을 도입했다. 얼음 결정이 특정 방향으로 성장하면서 내부에 벌집 모양처럼 수직으로 정렬된 구멍이 만들어지고, 이 구조 덕분에 촉매층 내부에서 가스가 원활하게 이동하며 가스 확산이 극대화됐다.

이 방식으로 제작된 촉매층은 두께가 약 30 ㎛로 내부에 직선에 가까운 가스 이동 통로가 형성됐다. 기공률은 약 49%, 기공 부피는 0.27 ㎖/g 수준으로 증가해 기존 스프레이 방식 촉매층보다 두 배 이상 많은 기공을 확보했다. 이러한 구조는 산소 확산과 물 배출을 원활하게 하여 반응 효율을 높이는 데 직접적인 역할을 한다.

여기에 더해 완성된 전해질막을 전극에 접합하는 기존 방식 대신, 전해질 고분자를 촉매층 위에 직접 도포해 막을 형성하는 직접 전해질막 증착기법을 적용했다. 그 결과 계면 결착력이 강화되고, 전자와 수소 이온의 이동 경로가 동시에 개선됐다.

막-전극 접합체 구조 별 단위 전지 평가 결과 비교.

전기화학 분석 결과, 삼상계면이 평면에서 입체 구조로 확장되면서 전기가 흐르고 수소 이온이 이동하는 과정이 모두 원활해졌다. 연료전지 반응 효율이 높아지고, 전체 성능이 개선된 것으로 확인됐다.

이번 연구에서 개발한 통합형 막-전극 접합체는 높은 기공률과 큰 기공 부피를 통해 가스 확산을 향상시키는 동시에, 수소이온 확산저항과 전하 전달저항을 감소시키는 최적화로 고출력과 우수한 내구성을 함께 달성한 것이 특징이다. 향후 전기차·트럭 등 중·대형 이동형 연료전지 시스템을 비롯한 고성능 응용 분야에서 활용 가능성을 크게 넓힐 것으로 기대된다.

박찬호 교수는 “동결 주조와 직접 막 증착을 결합한 일체형 구조로 가스·전자·수소 이온의 이동 경로를 동시에 최적화할 수 있었다”며 “청정에너지인 수소를 전기로 전환하는 연료전지의 성능과 안정성을 함께 개선할 수 있는 새로운 전극·막 제조 공정을 제시했다는 점에서 향후 전극 구조 개발의 방향성을 제시하는 중요한 연구”라고 말했다.

박찬호 교수, 정현승 박사, 문승현 초빙석학교수, 김재훈 포스코 홀딩스 박사, 이승태 GIST 석사과정생(왼쪽부터).

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