발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 연료전지의 막-전극 접합체(MEA)에 포함되는 가스확산층(GDL)은 필수 부품이지만, 재질 특성상 전기 저항 및 물질수송 저항을 필연적으로 발생시킵니다.

• 가스확산층의 두께(~500 μm)는 촉매코팅층(~70 μm)보다 훨씬 두꺼워, 막-전극 접합체에서 큰 부피를 차지하고 스택의 전체적인 부피를 증가시키는 원인이 됩니다.

• 기존의 가스확산층은 가스 유로로서의 기능을 동시에 수행하지 못해, 반응물 공급이 불충분해지는 문제가 발생할 수 있습니다.

기술의 필요성

• 연료전지의 성능과 효율을 극대화하기 위해, 기존의 가스확산층을 제거하여 전기 저항과 물질수송 저항을 근본적으로 줄일 필요가 있습니다.

• 스택의 부피를 줄이고 체적전력밀도(volume power density)를 높이기 위해서는 막-전극 접합체의 두께를 줄이는 것이 중요합니다.

• 따라서, 기존의 가스유로와 가스확산층의 기능을 동시에 수행할 수 있는 혁신적인 복합 기능 부재의 개발이 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 가스유로와 가스확산층의 복합 기능을 수행하는 부재로 그래핀폼(Graphene Foam, GF)을 사용합니다. 그래핀폼은 그래핀과 메탈폼의 구조적 특성을 결합한 소재로, 연속된 3차원 연결 네트워크 구조를 가집니다.

• 그래핀폼에 압축 응력을 가하여 압축된 그래핀폼으로 만듭니다. 이 과정에서 면내(in-plane) 방향으로 더 작은 기공들이 생성되어, 반응 기체가 구불구불한 경로(tortuous pathway)를 따라 이동하며 확산이 촉진됩니다.

• 압축된 그래핀폼은 가스확산층과 유사한 특성을 가지게 되어 별도의 처리 없이 가스확산층 역할을 수행할 수 있으며, 반응물 수송 및 물 제거 능력도 향상됩니다.

구체적인 구현 방법

1. 평균 직경 580 ㎛의 기공을 가지는 두께 1mm의 그래핀폼을 준비하여 가스유로로서 양극판에 장착합니다.

2. 촉매 코팅막(CCM) 방식으로 막-전극 접합체를 제조합니다. 이때 고분자 전해질막(Nafion™212) 양면에 촉매 잉크(40 wt% Pt/C)를 0.2 mg·cm-2의 로딩 함량으로 도포하여 공기극과 연료극을 형성합니다.

3. 양측 촉매 전극 위에 그래핀폼이 장착된 양극판을 접합시킨 후, 압축력을 인가하여 최종적으로 그래핀폼 복합 기능 부재를 구비한 막-전극 접합체를 완성합니다.

기술의 장점

• 셀 성능 향상: 물질 수송을 크게 향상시켜 연료전지의 전체적인 성능을 현저히 개선합니다.

• 두께 및 부피 감소: 가스확산층을 제거하여 막-전극 접합체의 두께를 약 85% 감소시키고, 이를 통해 연료전지 스택의 소형화 및 체적전력밀도 극대화가 가능합니다.

• 저항 감소: 반응물 수송 경로 단축으로 물질수송 저항이 줄어들고, 압축된 그래핀폼 내부의 압력 상승으로 활성화 전압손실이 감소합니다.

• 우수한 내구성: 그래핀폼은 연료전지 운전 조건하에서 부식의 우려가 없어 뛰어난 내구성을 보장합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 그래핀폼 기반 복합 기능 부재가 기존의 가스확산층과 가스유로를 성공적으로 대체할 수 있는지 검증하고, 압축된 그래핀폼의 두께 변화에 따른 연료전지 성능을 비교 분석하여 최적의 두께를 찾는 데 있습니다.

실험 방법 및 과정

1. 1mm 두께의 그래핀폼을 각각 100μm, 150μm, 200μm, 250μm로 압축하여 4가지 종류의 막-전극 접합체(MEA)를 제작했습니다.

2. 기존의 가스확산층(Sigracet 35BC)과 사형 가스유로를 가진 막-전극 접합체를 비교군으로 제작했습니다.

3. 각 샘플을 70℃ 및 상압, 완전 가습 조건에서 공기와 수소를 공급하며 분극 곡선을 측정하여 단일셀 성능을 평가했습니다.

4. 물질수송 현상을 분석하기 위해 Oxygen gain 실험 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 추가로 실시했습니다.

실험 결과

실험 결과, 그래핀폼의 두께가 200μm일 때 최상의 성능을 나타냈습니다. 200μm보다 얇아질 경우, 기공이 막혀 물질수송이 저하되어 오히려 성능이 감소했습니다. 200μm-GF MEA는 기존 MEA 대비 전압 0.8V에서 전류밀도가 74% 증가했으며, 0.4V에서는 56% 증가하는 등 전 구간에서 우수한 성능을 보였습니다. 이를 통해 전력밀도는 50% 증가했고, MEA 두께는 85% 감소했습니다. 아래 표는 핵심 성능 지표를 비교한 결과입니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 핵심 부품으로 직접 적용 가능합니다.

• 시트 또는 필름 형태로 제작하여 촉매 코팅막과 양극판 사이에 손쉽게 삽입하는 방식으로 연료전지 스택을 제조할 수 있습니다.

• 수소전기차, 드론, 비상 발전기, 휴대용 전원 등 다양한 모빌리티 및 발전 분야에 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 성능 혁신: 물질수송 능력 극대화를 통해 연료전지의 출력 및 효율을 획기적으로 향상시킵니다.

• 소형화 및 경량화: 부품 수 감소와 두께 축소를 통해 연료전지 시스템의 소형화 및 경량화를 실현하여 적용 범위를 확대합니다.

• 비용 절감: 별도의 가스확산층 부품 및 관련 공정을 생략하여 제조 원가를 절감할 수 있습니다.

• 내구성 향상: 부식에 강한 그래핀 소재를 사용하여 연료전지의 장기적인 안정성과 수명을 증대시킵니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 직접적으로 적용되는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 시장은 청정 에너지 전환의 핵심으로 주목받으며 가파른 성장세를 보이고 있습니다. 글로벌 PEMFC 시장은 2024년 40억 6천만 달러에서 2033년 117억 달러 규모로 성장할 것으로 예측되며, 이 기간 동안 연평균 12.46%의 견고한 성장률을 기록할 전망입니다.(출처: GII).

• 가스확산층(GDL) 시장 또한 2023년 1억 2,100만 달러에서 2030년까지 연평균 28.9%의 폭발적인 성장률을 보이며 6억 8,280만 달러에 이를 것으로 전망되어, 고성능 대체 소재에 대한 수요가 매우 높음을 시사합니다.(출처: Stratview Research).

• 전 세계 수소전기차 시장은 연평균 58.6%의 빠른 성장세를 보이며 2030년 누적 350만 대를 넘어설 것으로 예상되어, 수송 부문이 PEMFC 시장 성장을 강력하게 견인할 것입니다.(출처: CTIS).

주요 플레이어 및 경쟁 환경

PEMFC 시장은 기술 혁신을 주도하는 여러 글로벌 기업들이 경쟁하며 협력하는 역동적인 환경을 가지고 있습니다. 주요 기업들은 기술 파트너십, R&D 투자, 상용화 전략을 통해 시장 지배력을 강화하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 청정 에너지 수요 증대: 탄소 배출량 감축을 위한 전 세계적인 노력과 지속 가능한 에너지원에 대한 수요 급증이 시장 성장의 가장 큰 동력입니다.(출처: Wise Guy Reports).

2. 정부 정책 및 인센티브: 많은 국가들이 수소 경제 활성화를 위해 무공해 기술 도입을 장려하는 정책과 보조금을 지원하고 있습니다. EU는 2050년까지 수소가 에너지 믹스의 24%를 차지할 것으로 전망하고 있습니다.(출처: Wise Guy Reports).

3. 애플리케이션 다각화: 과거 자동차 중심이었던 적용 분야가 최근 선박, 열차, 건설기계, 도심항공 모빌리티(UAM), 발전용으로 빠르게 확대되면서 새로운 시장 기회가 창출되고 있습니다.(출처: KISTI).