연료전지용 고분자전해질 멤브레인 기술 동향 및 개발 전략
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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)|
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승인 2014-10-10 15:20:48 |
본문
1. 서론
최근 친환경 무공해 자동차로 주목받고 있는 수소연료전지 자동차에는 그 동안 백여 년간 이어져 온 기존 내연 기관과는 전혀 다른 방식의 동력발생 장치가 사용된다. 즉, 기존 자동차의 동력 장치에 주로 금속 소재를 사용한 기계공학 기반의 기술이 사용되었다면 연료전지 자동차는 고분자 등 소재 기술을 중심으로 화학반응에 의해 동력을 얻게 된다. 이로 인해 동력발생 장치의 핵심 소재 기술 개발이 다른 어떤 자동차보다 중요하며 상용화에 큰 영향을 줄 수밖에 없다.
글 / 이무석 (코오롱 중앙기술원)
출처 / 오토저널 6월호
여러 형태의 연료전지 중 고분자 전해질 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에는 이온전도막(PEM : Proton Exchange Membrane)이라는 특수한 고분자 멤브레인을 전해질로 사용한다. 이러한 고분자 전해질 연료전지는 타 연료전지 기술에 비해 작동온도가 낮고, 에너지 전환 효율 및 출력밀도가 높으며, 응답 특성이 빠른 장점을 가지고 있어, 특히 연료전지 자동차의 동력 장치로 적합하다.
연료전지 자동차의 다양한 장점에도 불구하고, 아직 대중에게 널리 보급되지 못한 이유 중에는 높은 차량 가격을 들 수 있다. 이를 낮추기 위해서는 연료전지 핵심 소재인 멤브레인의 기술 혁신이 필요한 상황이다.
실제로 현재와 같은 연료전지 자동차 소량생산 시점에는 그림 1과 같이 핵심 부품 중 멤브레인 가격 비중이 가장 높은 것으로 평가되고 있다. 또한 멤브레인 성능 개선이 연료전지 자동차 동력발생 장치의 효율로 바로 연결되므로 다른 어떤 소재보다도 기술 혁신에 대한 수요가 높다.
본 고에서는 이러한 연료전지 멤브레인의 기술 특성 및 개발 동향과 함께 사업화를 위한 전략에 대해 다루고자 한다.
2. 연료전지 기술 개요
연료전지의 원리는 물을 전기분해하는 것의 역반응으로 설명 가능하다. 즉 물에 전기 에너지를 가하면 수소와 산소로 분해할 수 있으며, 이때 사용된 전기 에너지는 수소와 산소에 화학적 내부 에너지로 보존 된다. 반면, 연료전지 반응에서는 수소와 산소가 전기 화학 반응을 일으켜 물이 생성되면서 화학에너지가 직접 전기에너지로 변환된다 (그림 2).
본 고의 키워드인 연료전지용 멤브레인을 설명하기 위해 먼저 멤브레인을 정의가 필요하다. 멤브레인은 특정한 물질을‘선택적’으로 통과시킬 수 있는 소재로 정의될 수 있다.
한편 수소연료전지 자동차의 동력 발생 장치에는 전해질인 이온전도막이 포함된 스택과 함께 주변 운전장치(BOP : Balance of Plant)가 필요하다<그림 3>. 공교롭게도 이온전도막 이외에, BOP의 핵심 부품인 수분제어장치(막가습기)에도 멤브레인 기술이 사용되고 있다. 멤브레인 정의에 따르면, 연료전지 자동차에는 수소이온만을 선택적으로 통과시키는 이온전도막과, 수분만을 선택적으로 통과시키는 수분제어 장치용 멤브레인이 사용되고 있다.
연료전지 시스템의 개략적인 구성은 그림 3과 같고, 여기서 멤브레인은 동력 발생장치의 핵심소재라 할수 있다. 그림 3에서 스택을 구성하는 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)는 멤브레인을 중심으로 양쪽에 백금 촉매가 포함된 전극이 코팅되어 있다. 수소(H2)기체가 수소극(Anode)을 흐르면 촉매의 도움으로 전자와 수소이온(H+ : 프로톤)으로 분해되며 이때 생성된 프로톤이 멤브레인을 통하여 이동된다. 산소극(Cathod)에서도 촉매 반응으로 생긴 산소이온, 도선을 통해 전달된 전자, 그리고 멤브레인을 통과해서 전달된 프로톤이 만나 물을 생성한다. 이러한 화학반응에 의해 단위 전지에 일정 전압이 형성되고, 단위 전지를 여러 개 연결하게 되면 원하는 전압을 얻을 수 있게 된다.
3. 연료전지 멤브레인 특성
3.1 이온전도막
연료전지 멤브레인은 주기능인 수소이온 전달이외에, 기체 상태의 산소, 수소를 차단하며 전자의 직접 전달을 방지하기 위한 절연체 역할도 한다. 따라서 이온전도막은 수소이온 전도성이 높은 대신, 전자 전도성은 낮아야 하고, 반응기체의 이동이 적어야 한다. 이와 함께 기계적, 전기화학적 안정성이 높아야 한다.
고분자전해질막의 대표적인 제품으로 1968년 듀폰에서 개발한 나피온(Nafion)막이 있으며, 그림 4와 같이 테프론이라고 알려진 소수성의 고분자 주쇄에 가지 형태로 친수성인 술폰산기(Sulfonic Acid)가 달려있다. 이러한 특이한 화학 구조로 인해 물에 의해 가습될 경우 물과 친한 술폰산기 영역과 물과 친하지 않은 고분자 주쇄 영역이 미세상분리를 일으키고 친수성 영역에서 프로톤이 통과할 수 있는 미세 구멍(Cluster)이 형성된다.
3.2 수분제어 장치용 멤브레인
앞서 설명한대로 이온전도막은 습윤상태에서 활성화되며 이로 인해 연료전지 BOP에는 가습을 위한 수분제어 장치가 포함된다. 가습 방법에는 내부 가습과 외부 가습이 있고 외부 가습 방법에는 버블링 방식, 액적 분무 방식, 막가습 방식 등이 있다. 이 중 막가습 방식은 멤브레인을 이용한 수분제어 장치로, 이는 스택에서 나오는 고습의 폐습윤 공기(Exhaust Gas) 내에 있는 수분을 선택적으로 회수하는 장치이다.
4. 이온전도막 기술 개발 동향
최근 이온전도막은 크게 두 가지 방향으로 연구가 집중되고 있다. 상업적으로 성능 및 내구성이 검증된 불소계 멤브레인의 최적화가 하나의 방향이고, 기존 불소계 멤브레인의 한계를 극복하기 위한 탄화수소계 멤브레인의 개발이 또 하나의 개발 축이다. 불소계의 경우 구조적인 인자로 EW(Equivalent Weight)라는 이온전달 기능을 하는 술폰산기의 함량과 화학적 구조 중 주로 사이드 체인의 길이를 변화시키는 연구가 진행되었다. 탄화 수소계의 경우 주로 방향족 고분자를 주쇄로 하며, 주쇄 고분자에 따라 다양한 소재가 존재하며 성능적 한계를 극복하기 위한 다양한 접근 방법이 검토되고 있다.
현재 가장 우수한 성능을 나타내는 불소계 강화막은 Gore에서 생산되고 있다. Gore는 스포츠 의류용 투습 방수 소재를 생산하는 업체로 알려져 있으며, 의류에도 사용되는 미세한 구멍을 가진 불소계 지지체에 나피온과 같은 이온전도체를 채워서 연료전지용 멤브레인으로 상용화한 사례이다.
5. 상업화 전략
국내 IT 산업은 눈부신 발전에도 불구하고 핵심소재의 대일 무역 역조는 여전히 문제가 되고 있다. 이는 경쟁력있는 핵심소재의 개발을 위해서는 그 만큼 장기적인 전략과 인내심 있는 투자를 요구하고 있기 때문이다. 자동차 산업에 있어서, 특히 미래의 국가 성장 동력이 될 수 있는 친환경차 개발에 있어 소재 산업이 뒷받침된 튼튼한 산업 구조 없이 국가 경쟁력을 논할 수 없다. 연료전지의 경우 앞서 설명한 바와 같이 소재기술의 중요성이 더욱 부각되고 있어, 핵심 소재 개발은 산학연 공동의 노력으로 반드시 이루어내야 할 국가적 명제이다.
새로운 시장을 목표로 한 소재의 장기 개발은 결코 쉬운 작업은 아니다. 연료전지 자동차 소재 산업도 아직까지‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐’의 딜레마에 빠지기 쉬운 구조이다. 값비싼 소재, 부족한 수소 인프라, 더딘 시장 확장에 따른 수요 부족 등을 이유로 악순환에 빠지기 쉽다. 하지만 연료전지 소재도 반드시 규모의 경제를 통한 선순환 고리에 이르러야만 경제성 있는 제품을 완성차 업체 공급할 수 있다는 점에서 반드시 해결해야하는 문제이다.
시장의 확실성이 담보되지 않은 상황에서의 장기투자는 그 만큼 큰 리스크가 따르게 된다. 핵심소재인 멤브레인 개발의 관점에서 볼 때 이러한 리스크의 완화를 위해서는 다음과 같은 전략이 필요하다.
초기 시장 활성화를 위해서는 인프라 구축 등 정부의 투자도 함께 진행되어야 한다. 실제 나피온의 경우 식염 제조를 위해 개발되어 현재 연료전지 및 다양한 응용 분야에 적용되고 있다. 이는 이온전도막 고유의 특성인 이온전달 능력과 함께 친수성이라는 부가적인 특성을 활용한 것이다. 이미 상용화되었거나 혹은 연구되고 있는 이온 전도막의 응용분야를 정리하면 그림 7과 같다.
한편 연료전지 멤브레인의 상업화를 위해 고려해야할 또 하나 중요한 점은 멤브레인 소재의 자동차 소재부품화이다. 고분자 멤브레인의 기존 시장은 주로 정수기, 필터, 대규모 수처리 장치 등에 적용되어 왔으며기존 시장의 경우 멤브레인 성능 열화 발생 시 교체를 통해 시스템의 수명을 연장하게 된다. 그러나 자동차 부품으로서의 멤브레인은 또 다른 기술적인 도전을 겪어야 한다. 다른 어떤 산업 분야보다 높은 품질 수준 및 가혹한 환경 내구성이 필요하다는 점을 고려해야 하며, 자동차 수명과 같이 가야할 동력 발생 장치의 구성요소라는 점에서 기존 산업 분야와 다른 차원의 내구성 보장이 필요하다. 이를 위해 고분자 소재 기술 및 멤브레인 설계 기술을 기존 자동차 소재부품 기술과 융합하고 발전시키는 것이 필요하다.
최근 친환경 무공해 자동차로 주목받고 있는 수소연료전지 자동차에는 그 동안 백여 년간 이어져 온 기존 내연 기관과는 전혀 다른 방식의 동력발생 장치가 사용된다. 즉, 기존 자동차의 동력 장치에 주로 금속 소재를 사용한 기계공학 기반의 기술이 사용되었다면 연료전지 자동차는 고분자 등 소재 기술을 중심으로 화학반응에 의해 동력을 얻게 된다. 이로 인해 동력발생 장치의 핵심 소재 기술 개발이 다른 어떤 자동차보다 중요하며 상용화에 큰 영향을 줄 수밖에 없다.
글 / 이무석 (코오롱 중앙기술원)
출처 / 오토저널 6월호
여러 형태의 연료전지 중 고분자 전해질 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)에는 이온전도막(PEM : Proton Exchange Membrane)이라는 특수한 고분자 멤브레인을 전해질로 사용한다. 이러한 고분자 전해질 연료전지는 타 연료전지 기술에 비해 작동온도가 낮고, 에너지 전환 효율 및 출력밀도가 높으며, 응답 특성이 빠른 장점을 가지고 있어, 특히 연료전지 자동차의 동력 장치로 적합하다.
연료전지 자동차의 다양한 장점에도 불구하고, 아직 대중에게 널리 보급되지 못한 이유 중에는 높은 차량 가격을 들 수 있다. 이를 낮추기 위해서는 연료전지 핵심 소재인 멤브레인의 기술 혁신이 필요한 상황이다.
실제로 현재와 같은 연료전지 자동차 소량생산 시점에는 그림 1과 같이 핵심 부품 중 멤브레인 가격 비중이 가장 높은 것으로 평가되고 있다. 또한 멤브레인 성능 개선이 연료전지 자동차 동력발생 장치의 효율로 바로 연결되므로 다른 어떤 소재보다도 기술 혁신에 대한 수요가 높다.
본 고에서는 이러한 연료전지 멤브레인의 기술 특성 및 개발 동향과 함께 사업화를 위한 전략에 대해 다루고자 한다.
2. 연료전지 기술 개요
연료전지의 원리는 물을 전기분해하는 것의 역반응으로 설명 가능하다. 즉 물에 전기 에너지를 가하면 수소와 산소로 분해할 수 있으며, 이때 사용된 전기 에너지는 수소와 산소에 화학적 내부 에너지로 보존 된다. 반면, 연료전지 반응에서는 수소와 산소가 전기 화학 반응을 일으켜 물이 생성되면서 화학에너지가 직접 전기에너지로 변환된다 (그림 2).
본 고의 키워드인 연료전지용 멤브레인을 설명하기 위해 먼저 멤브레인을 정의가 필요하다. 멤브레인은 특정한 물질을‘선택적’으로 통과시킬 수 있는 소재로 정의될 수 있다.
한편 수소연료전지 자동차의 동력 발생 장치에는 전해질인 이온전도막이 포함된 스택과 함께 주변 운전장치(BOP : Balance of Plant)가 필요하다<그림 3>. 공교롭게도 이온전도막 이외에, BOP의 핵심 부품인 수분제어장치(막가습기)에도 멤브레인 기술이 사용되고 있다. 멤브레인 정의에 따르면, 연료전지 자동차에는 수소이온만을 선택적으로 통과시키는 이온전도막과, 수분만을 선택적으로 통과시키는 수분제어 장치용 멤브레인이 사용되고 있다.
연료전지 시스템의 개략적인 구성은 그림 3과 같고, 여기서 멤브레인은 동력 발생장치의 핵심소재라 할수 있다. 그림 3에서 스택을 구성하는 막전극접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)는 멤브레인을 중심으로 양쪽에 백금 촉매가 포함된 전극이 코팅되어 있다. 수소(H2)기체가 수소극(Anode)을 흐르면 촉매의 도움으로 전자와 수소이온(H+ : 프로톤)으로 분해되며 이때 생성된 프로톤이 멤브레인을 통하여 이동된다. 산소극(Cathod)에서도 촉매 반응으로 생긴 산소이온, 도선을 통해 전달된 전자, 그리고 멤브레인을 통과해서 전달된 프로톤이 만나 물을 생성한다. 이러한 화학반응에 의해 단위 전지에 일정 전압이 형성되고, 단위 전지를 여러 개 연결하게 되면 원하는 전압을 얻을 수 있게 된다.
3. 연료전지 멤브레인 특성
3.1 이온전도막
연료전지 멤브레인은 주기능인 수소이온 전달이외에, 기체 상태의 산소, 수소를 차단하며 전자의 직접 전달을 방지하기 위한 절연체 역할도 한다. 따라서 이온전도막은 수소이온 전도성이 높은 대신, 전자 전도성은 낮아야 하고, 반응기체의 이동이 적어야 한다. 이와 함께 기계적, 전기화학적 안정성이 높아야 한다.
고분자전해질막의 대표적인 제품으로 1968년 듀폰에서 개발한 나피온(Nafion)막이 있으며, 그림 4와 같이 테프론이라고 알려진 소수성의 고분자 주쇄에 가지 형태로 친수성인 술폰산기(Sulfonic Acid)가 달려있다. 이러한 특이한 화학 구조로 인해 물에 의해 가습될 경우 물과 친한 술폰산기 영역과 물과 친하지 않은 고분자 주쇄 영역이 미세상분리를 일으키고 친수성 영역에서 프로톤이 통과할 수 있는 미세 구멍(Cluster)이 형성된다.
3.2 수분제어 장치용 멤브레인
앞서 설명한대로 이온전도막은 습윤상태에서 활성화되며 이로 인해 연료전지 BOP에는 가습을 위한 수분제어 장치가 포함된다. 가습 방법에는 내부 가습과 외부 가습이 있고 외부 가습 방법에는 버블링 방식, 액적 분무 방식, 막가습 방식 등이 있다. 이 중 막가습 방식은 멤브레인을 이용한 수분제어 장치로, 이는 스택에서 나오는 고습의 폐습윤 공기(Exhaust Gas) 내에 있는 수분을 선택적으로 회수하는 장치이다.
4. 이온전도막 기술 개발 동향
최근 이온전도막은 크게 두 가지 방향으로 연구가 집중되고 있다. 상업적으로 성능 및 내구성이 검증된 불소계 멤브레인의 최적화가 하나의 방향이고, 기존 불소계 멤브레인의 한계를 극복하기 위한 탄화수소계 멤브레인의 개발이 또 하나의 개발 축이다. 불소계의 경우 구조적인 인자로 EW(Equivalent Weight)라는 이온전달 기능을 하는 술폰산기의 함량과 화학적 구조 중 주로 사이드 체인의 길이를 변화시키는 연구가 진행되었다. 탄화 수소계의 경우 주로 방향족 고분자를 주쇄로 하며, 주쇄 고분자에 따라 다양한 소재가 존재하며 성능적 한계를 극복하기 위한 다양한 접근 방법이 검토되고 있다.
현재 가장 우수한 성능을 나타내는 불소계 강화막은 Gore에서 생산되고 있다. Gore는 스포츠 의류용 투습 방수 소재를 생산하는 업체로 알려져 있으며, 의류에도 사용되는 미세한 구멍을 가진 불소계 지지체에 나피온과 같은 이온전도체를 채워서 연료전지용 멤브레인으로 상용화한 사례이다.
5. 상업화 전략
국내 IT 산업은 눈부신 발전에도 불구하고 핵심소재의 대일 무역 역조는 여전히 문제가 되고 있다. 이는 경쟁력있는 핵심소재의 개발을 위해서는 그 만큼 장기적인 전략과 인내심 있는 투자를 요구하고 있기 때문이다. 자동차 산업에 있어서, 특히 미래의 국가 성장 동력이 될 수 있는 친환경차 개발에 있어 소재 산업이 뒷받침된 튼튼한 산업 구조 없이 국가 경쟁력을 논할 수 없다. 연료전지의 경우 앞서 설명한 바와 같이 소재기술의 중요성이 더욱 부각되고 있어, 핵심 소재 개발은 산학연 공동의 노력으로 반드시 이루어내야 할 국가적 명제이다.
새로운 시장을 목표로 한 소재의 장기 개발은 결코 쉬운 작업은 아니다. 연료전지 자동차 소재 산업도 아직까지‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐’의 딜레마에 빠지기 쉬운 구조이다. 값비싼 소재, 부족한 수소 인프라, 더딘 시장 확장에 따른 수요 부족 등을 이유로 악순환에 빠지기 쉽다. 하지만 연료전지 소재도 반드시 규모의 경제를 통한 선순환 고리에 이르러야만 경제성 있는 제품을 완성차 업체 공급할 수 있다는 점에서 반드시 해결해야하는 문제이다.
시장의 확실성이 담보되지 않은 상황에서의 장기투자는 그 만큼 큰 리스크가 따르게 된다. 핵심소재인 멤브레인 개발의 관점에서 볼 때 이러한 리스크의 완화를 위해서는 다음과 같은 전략이 필요하다.
초기 시장 활성화를 위해서는 인프라 구축 등 정부의 투자도 함께 진행되어야 한다. 실제 나피온의 경우 식염 제조를 위해 개발되어 현재 연료전지 및 다양한 응용 분야에 적용되고 있다. 이는 이온전도막 고유의 특성인 이온전달 능력과 함께 친수성이라는 부가적인 특성을 활용한 것이다. 이미 상용화되었거나 혹은 연구되고 있는 이온 전도막의 응용분야를 정리하면 그림 7과 같다.
한편 연료전지 멤브레인의 상업화를 위해 고려해야할 또 하나 중요한 점은 멤브레인 소재의 자동차 소재부품화이다. 고분자 멤브레인의 기존 시장은 주로 정수기, 필터, 대규모 수처리 장치 등에 적용되어 왔으며기존 시장의 경우 멤브레인 성능 열화 발생 시 교체를 통해 시스템의 수명을 연장하게 된다. 그러나 자동차 부품으로서의 멤브레인은 또 다른 기술적인 도전을 겪어야 한다. 다른 어떤 산업 분야보다 높은 품질 수준 및 가혹한 환경 내구성이 필요하다는 점을 고려해야 하며, 자동차 수명과 같이 가야할 동력 발생 장치의 구성요소라는 점에서 기존 산업 분야와 다른 차원의 내구성 보장이 필요하다. 이를 위해 고분자 소재 기술 및 멤브레인 설계 기술을 기존 자동차 소재부품 기술과 융합하고 발전시키는 것이 필요하다.
