[가스신문 = 한상원 기자] 우리나라의 연료전지 시장은 2000년대 초반, 연구로 시작됐다. 연료전지는 기존의 내연기관과 달리 공해물질의 배출이 없고, 이산화탄소 배출량도 획기적으로 줄일 수 있으며 소음도 거의 없다. 이런 장점을 바탕으로 시간이 지나면서 반도체, 이차전지 등과 같이 연료전지도 점점 관심도가 높아지고 있다.
지금도 연료전지는 건물·가정용·발전용·모빌리티용 등 다양하게 쓰이고 있으며, 제품들도 점차 발전하고 있다. 우리나라 연료전지 산업을 키우기 위해서는 기술의 국산화와 시장의 활성화는 필수적이다. 배터리를 개발할 때 ‘카본’을 쓰지 않으면 이차전지 기술에서 무용지물이듯, 연료전지를 만들 때도 성능을 결정하는 지지체, 촉매, MEA 등은 필수 요소라고 할 수 있다.
연료전지 분야에서 약 20년의 연구경력을 바탕으로 국내 최초 연료전지용 지지체-촉매-MEA로 연계되는 공급체인을 보유하고 있는 기업이 있다. 지난 2020년에 전라북도 탄소 기업 중 최초로 코스닥 상장을 했으며, 일본 수출 규제와 코로나19 등으로 위기가 지속되는 상황이었지만 탄탄한 기술력을 토대로 매년 성장세를 보이고 있는 기업, 비나텍을 탐방했다.
2030년까지 70% 가격 인하 목표
비나텍은 2002년 지지체 기술을 개발했고, 2007년에는 촉매 기술, 2012년에는 MEA 기술을 단계적으로 확보하면서 수소연료전지 스택의 핵심 기술을 섭렵했다. 2002년 CNF(Carbon Nano Fiber)에 대한 원천 기술을 독자적인 연구로 확보하여 탄소 활성화, 탄소 형상 제어, 탄소 복합화, 금속 촉매 합성·첨착하는 기술을 개발 및 상용화했다. 이러한 기술은 연료전지용 탄소 지지체, 촉매, MEA를 일괄 양산할 수 있는 체계를 구축하여 원가율과 단가를 낮출 수 있는 경쟁력을 지니게 됐다.
최근 2022년에는 한국에너지기술연구원과의 기술이전 계약을 통해 MEA의 단가를 절감할 수 있는 제조 원천기술과 양산기술을 확보했다. 기존의 MEA는 대량생산 시, 슬러리 공정을 통해 백금 촉매와 나피온 이오노머가 혼합되어 있는 형태로 제작한다. 촉매 슬러리의 분산-코팅-건조 과정에서 이오노머가 응집 현상이 일어나 백금 촉매 표면으로 나피온 이오노머의 접근성이 악화돼 산소전달 저항이 증가하고, 촉매의 활성을 떨어뜨리는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 에너지기술연구원에서 개발한 기술을 이전받았으며, 도입한 기술은 차량용·건물용 연료전지 MEA 단가를 30% 이상 저감할 수 있는 차세대 MEA의 양산 핵심 기술이다. 현재 비나텍이 생산하는 촉매와 지지체는 연료전지 성능을 결정하는 중요한 부분으로 전체 시스템의 25%, 스택 가격의 50% 이상을 차지한다. 기존 보유 기술력과 함께 연료전지 시장 확대의 난제인 가격과 성능의 한계를 극복할 것으로 기대된다. 관계자에 따르면 “글로벌 기술경쟁력을 위해 2030년도까지 현재 가격의 70% 인하를 목표로 하고 가격 인하를 위해 백금량 절감 등을 하면서도 성능을 2배 이상 향상시킬 것”이라며 비나텍의 주요 목표를 설명했다.
주요 제품의 탁월한 기술력
비나텍은 현재 확보한 탄소 표면·형상 제어 기술, 탄소부활기술 및 탄소 복합화 기술 외 여러 기술에 대한 응용 및 상업화를 추진하고 있으며, 지속적인 개발을 통해 연료전지의 효율 및 내구성을 더욱 향상 시킬 수 있는 탄소 지지체를 개발 중이다. 비나텍의 지지체는 결정화도와 비표면적이 우수한 CNF 또는 고내구성 카본블랙 제품으로 카본 부식에 강한 제품이다. 개발하고 있는 탄소 지지체는 다양한 형태, 높은 전기 전도도, 고내구성(높은 내식성·결정성), 균일하게 정렬된 가장자리 표면을 가지고 있다.
촉매는 MEA 전극을 구성하는 주요 소재로, 촉매 생산 기술은 연료전지의 원천기술 중 하나이다. 다양한 형태의 합금 촉매 및 백금 저담지 촉매를 개발 및 생산하고 있으며, 금속 촉매 입자 크기 조절 및 담지율 제어 기술을 보유하고 있다. 비나텍의 촉매는 넓은 전기 화학 반응 면적(고성능)과 고내구성 및 높은 금속 촉매 입자 안정성의 특징을 가지고 있다.
MEA는 전해질막과 양쪽의 전극으로 구성되어 있으며, 산화전극인 양극에 투입된 수소는 촉매제와 반응하여 양성자와 전자로 분해된다. 분해된 양성자는 전해질막을 통과하여 환원전극인 음극으로 이동하여 산소와 결합하고, 전해질막을 통과하지 못하는 전자는 전기에너지로 사용된다.
