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[오토저널] 수소연료전지자동차 MEA용 촉매 국산화

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2018-05-23 22:49:45

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최근 각종 모터쇼에서는 친환경 자동차 모델로 전기차, 하이브리드차, 수소연료전지자동차 등이 선보이면서 많은 관심을 받고 있다. 그 중에서 수소연료전지자동차
의 개발은 1839년 William Grove의 연료전지 연구 이후, GM에서 1966년도에 “Electrovan”이라는 이름으로 첫번째 연료전지자동차가 만들어짐으로써 시작되었다.

 

<그림 1>에서 볼 수 있듯이 현대자동차는 2000년도에 “Santa Fe FCEV”를 발표함으로써 개발 선두주자에 뛰어들었다. 또한 지속적으로 연구개발의 결과 출력 및 한번 충전후 운전거리가 늘어나고 있음을 잘 보여주고 있다, 그러나 새로운 정권이 들어설 때마다 신재생에너지 부분에서의 수소연료전지 분야에 대한 정부지원이 뒷걸음치면서 개발의 추진 속도가 주춤하였던 것이 사실이다.

 

그러나 일본의 경우는 초기의 계획대로, 정부정책 주도 및 관련 학계 및 기관들에서 지속적인 연구개발을 통하여 발전을 이루고 있으며, 도요타에서는 “미라이”라는 수소연료전지 승용자동차를 양산하여 세계의 주목을 끌어 모았다. 또한, 놀라웠던 것은 매년 일본 도쿄에서 개최되는 FC EXPO를 2016년에 방문하였을 때, 일본 수상 이름으로 전시장 입구에 신재생에너지 연구개발은 일본 정부가 추구하는 중점 분야이며, 적극 지원하겠다는 적극적 지원의 메시지가 담긴 안내문을 출입구 앞에 크게 붙여놓은 것을 본 적이 있다.

 

이러한 상황에서도 현대자동차는 2013년도 세계최초 투싼 수소연료전지자동차를 양산하였고, 지속적으로 수소연료전지자동차에 대한 국산화 개발을 주도적으로 추진하였다. 이와 함께 오덱은 이러한 현대자동차와의 노력에 함께 부흥하고자 공동개발을 출발로 자체적으로 수소연료전지자동차 MEA(Membrane Electrode Assembly)용 촉매개발을 진행하였고, 기술개발을 성공적으로 하여 2014년도에는 이달의 산업기술대상을 수상한 바 있고, 2016년도에는 연료전지분과 기술상을 수상하기도 하였다. 본 고에서는 이러한 기술에 대하여 소개하고자 한다.

 

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지금부터 연료전지란 무엇인가를 간략히 설명하기로 한다. 먼저 압축된 수소가 연료전지의 음극(Anode) 쪽 분리판으로 들어간다. 수소가 압력 차이에 의해 촉매 쪽으로 이동하게 된다. 음극촉매층(Anode catalyst layer)에서 수소 분자는 백금 촉매에 의해 이온과 전자로 분리되며 전자는 음극(Anode)를 통과하여 전류가 발생하게 되며 다시 양극(Cathode)으로 들어간다. 반면에 전지의 양극(Cathode) 쪽 분리판에는 산소 기체가 들어간다. 마찬가지로 압력 차이에 의해 가스 확산층을 지나 촉매 쪽으로 이동하게 된다. 또한 이전 분리된 이온도 중간의 멤브레인(Membrane)을 통과하여 양극(Cathode) 쪽 촉매로 이동하는데 이 Membrane 안에 있는 전해질은 전자는 통과하지 못해서 양성자만 이동하게 된다. 최종적으로 양극촉매층(Cathode catalyst layer)에 서 산소, 수소이온, 그리고 양극(Cathode) 쪽으로 들어온 전자가 결합하여 물 분자를 생성한다. 따라서 양극(Cathode)에서 음극(Anode)으로 1.23V의 기전력이 발생하게 된다.

 

이러한 단위의 전지셀이 <그림 3>에 나타낸 것과 같이 수소연료전지차량 안에는 엔진에 해당하는 스택(Stack)이라는 MEA의 집합체가 있으며, 그 안에는 수백개의 단위전지가 구성되어 있어서 차량구동에 충분한 전기를 발생시키게 된다. <그림 3>에서 볼 수 있듯이 전해질막(Electrolyte Membrane)상에는 백금과 카본을 주로하는 촉매가 코팅되어 있다. 오덱에서는 백금-카본 촉매를 자체적으로 국산화 개발에 성공하였고, 전세계에서 연료전지촉매의 선두주자인 해외 경쟁사와 비교하여 성능상 동등이상을 나타내면서 양산적용에 성공하는 성과를 올렸다.

 

본 고에서는 성공적으로 개발한 기술에 대하여 간략히 설명하고자 한다. 오덱의 백금-카본 촉매의 경우는 담지체가 형태, 비표적에 관계없이 매우 고르게 분산시키는 기술을 확보하였고, <그림 4>와 같이 카본나노화이버(CNF : Carbon Nano Fiber)나 카본나노튜브(CNT : Carbon Nano Tube)에서 조차 매우 높은 분산도를 갖는 합성기술을 개발하였다.

 

또한, 카본의 표면 및 특성을 최적화하기 위한 카본 활성화 처리기술 개발을 진행하였으며, AVAC Tech.을 개발하였다. 이 기술의 특징은 카본의 내부까지 활성화를 시킴으로써 높은 표면적을 가지며, 결정성 활성화 카본을 구성하며, 낮은 불순물 함량과 Meso pore volume을 95%까지 얻을 수 있었다, 따라서 이러한 활성화된 카본의 특성은 백금의 소결(Sintering)을 최소화시키는 중요한 물질로 역할하게 된다.

 

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또한, 연료가 부족할 시(Shut down 또는 Start up시)에는 다음과 같은 반응이 일어나게 된다. 수소가 공급 되어야 할 음극(Anode)에 공기가 유입되면서 양극(Cathode)에서 발생되어야 하는 물을 만드는 반응이 일어나게 된다. 이때 필요한 전자는 양극(Cathode)의 카본(Carbon) 에서 발생되며, 이로 인해 카본 부식이 일어나게 된다. 이러한 카본의 부식은 MEA의 내구성능을 급격히 저감시키게 된다. 이러한 부식을 억제 할 수 있는 기술이 RT(Reverse voltage Tolerance) 촉매이며, 물과 탄소가 만나 이산화탄소(CO2)가 만들어지는 반응보다, 우선적으로 물을 분해시켜 줌으로써 카본의 부식을 억제 시킬 수 있게 만들어준다. 따라서 오덱에서 개발한 RT촉매 기술은 높은 비표면적과 백금입자와 유사한 입자크기로 만들어짐으로써 상호 적용이 유리하고, 백금-카본 촉매의 내구성 향상에 크게 기여한다.

 

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지금까지 오덱에서 추진해온 연료전지자동차용 촉매의 개발은 국내의 연료전지자동차 보급에 크게 기여할 것이라는 자부심과 기대를 가지며, 향후에도 지속적으로 백금합금촉매 개발, 코어셀 촉매 개발, 비백금계 촉매 개발 등 다양한 신기술 개발을 추진하여 보다 세계적으로 국내 연료전지자동차의 경쟁력을 확보하는데 일익을 다하고자 지속적으로 연구개발을 진행하고 있다. 

 

글 / 여권구 (오덱)
출처 / 오토저널 17년 12월호 (http://www.ksae.org) 
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