전문 강소 및 강견기업 육성 시급
산업정보분석실 김기일 (Tel: 02-3299-6033 e-mail: kimkiil@kisti.re.kr)
[ 요약 ] 1. 수소연료전지 자동차용 불소계 강화막은 높은 막 기계적/화학적 안정성, 우수한 수소이온전도도, 전극과의 안정적 계면형성, 탁월한 전기화학적 연료전지 수명특성 등의 다양한 장점이 있다. |
다양한 기술 개발이 이루어지고 있는 자동차용 수소연료전지 불소계 강화막
자동차용 수소연료전지 불소계 강화막은 연료전지의 전기화학반응을 위해 수소이온만을 선택적으로 통과시키는 과불소계 술폰화(PFSA, 대표소재: 美 듀폰 사의 Nafion) 이오노머를 물리적 지지체인 다양한 소재(예. 폴리테트라플로로에틸렌(PTFE)) 기반의 다공성 보강막에 함침시켜 제조하는 강화막이다.
일반적으로 PFSA 이오노머는 PTFE와 퍼플루오로비닐에테르 술폰산 공중합체 고분자로, 1960년대 염수전기분해를 통해 염소 및 가성소다(NaOH)를 얻기 위한 클로알칼리(CA) 공정에서 사용되는 전해질로 처음 개발되었다.
자동차용 및 가정용 연료전지 상용화를 위해 다양한 고분자형 불소계/부분불소계/탄화수소계 전해질 소재가 시도되었지만, 연료전지 구동조건(산조건, 온도, 압력, 라디칼 분해 등)에서 ①기계적/화학적 내구성 ②높은 수소이온전도도 ③수소 및 산소 차단성 ④불소계 바인더를 포함한 전극과의 상용성 및 안정적인 계면형성특성 ⑤전기화학적 연료전지 수명특성을 만족시키는 소재로는 PFSA 순수막이 현재 유일하다.
그러나 비교적 반응조건이 steady state에 가까운 가정용 연료전지 분야와는 달리, on/off cycle 및 온도 및 습도변화가 지속적으로 이루어지는 자동차용 연료전지 분야에 적용시켰을 경우에는, 앞서 언급한 우수한 성능특성을 갖는 PFSA 순수막에서조차 물의 증발/흡수를 반복함에 따라 전극의 탈리(Delamination) 및 수소투과로 인한 열화(Degradation)가 발생하여 연료전지 수명 특성이 현저히 떨어지게 된다.
자동차용 수소연료전지 불소계 강화막은 높은 막 기계적/화학적 안정성, 우수한 수소이온전도도, 전극과의 안정적 계면형성, 탁월한 전기화학적 연료전지 수명특성 등의 다양한 장점이 있다.
이를 해결하기 위한 유일한 현실적 방법은 PFSA를 뛰어난 기계적/화학적 내구성을 갖는 다공성 지지체에 함침시켜 두 소재의 상용성을 최적화한 함침형 강화막을 제조하는 것이다. 강화막 제조에서의 핵심기술로는 고성능 PFSA 소재기술, 기공 제어된 다공성 지지체 기술, 두 소재의 계면탈리를 일으키는 defect 제거기술, 연속적 roll-to-roll 기술 등이 있다.
불소계 강화막의 수소연료전지 자동차 이외 대표적인 응용분야는 휴대용, 가정용 고분자전해질연료전지, 클로-알칼리 플랜트(CA), 대용량에너지저장(Energy Storage System; ESS), 특히 산화-환원흐름전지(Redox-Flow Battery; RFB) 및 이차전지용 전해질, 농도차발전(Pressure-Retarded Osmosis; PRO 또는 Reverse ElectroDialysis; RED) 및 이차전지용 전해질, 수처리 (Desalination, Forward Osmosis; FO, ElectroDialysis; ED, Capacitive DeIonization; CDI)용 분리막, 인공근육을 위한 actuator 등이며, 그 응용분야는 점차 확대되고 있다.
불소계 강화막 국내외 기술 개발 현황
불소계 강화막의 핵심부품인 PFSA소재는 듀폰, 3M, Dow, Solvay, Asahi Kasei E-Materials Co., Asahi Glass, Sumitomo 3M 등 다국적 기업들이 독자적으로 기술개발 및 생산, 판매를 하고 있다. 현재 듀폰사의 Nafion이 안정적인 양산체계구축에 따른 가장 높은 시장점유율을 가지고 있으며, Aciplex(Asahi Kasei사), Flemion(Asahi Glass사), 3M ionomer(3M사) 등이 개발된 상태이다. PFSA소재는 제조공정의 복잡성과 어려움, 기업 간 생산능력편차 등으로 인해 비교적 높은 생산단가($400/m2, Nafion212)가 형성되어 있다.
국내의 경우, 1990년대 중반 한화석유화학 및 화학연구원이 불소계 수지를 독자적으로 개발하는 것에 실패한 이후, 불소화학에 대한 산업적 기반부족과 연구 인프라의 한계로 인해 전량 수입에 의존하고 있다.
불소계 강화막은 미국 Gore사가 세계시장을 거의 독점하고 있는 선도기업이며, 국내에서는 ㈜ 코멤텍과 ㈜ 코오롱인더스트리 등이 활발히 시장에 참여하고 있다.
최근 자동차용 연료전지 불소계 소재의 대체소재로 LG화학, ㈜ 코오롱인더스트리, 동진세미켐 등에서 개발한 탄화수소계 전해질막의 경우 내구성 및 불소계 전극과의 계면접합성문제로 그 한계가 드러나, 보다 높은 기능성이 요구되는 자동차 시장에서는 불소계 소재 이외에는 큰 대안을 찾기가 어렵다고 평가되고 있다.
자동차용 고내구성 불소계 강화막의 경우, 전 세계적으로 PTFE 다공성막을 생산하는 Gore사가 시장을 독점적으로 주도하고 있으며, 불소계 강화막 그 자체를 제품화한다기보다는 수소차단층을 포함한 전극층이 도포된 막-전극어셈블리(Membrane-electrode assembly; MEA)의 형태로 제품화하여 한정적으로 시판하고 있다. 국내의 경우, 기공 제어된 다공성 PTFE 보강막을 생산하는 ㈜코멤텍이 자동차탑재를 목표로 단국대학교, 자동차부품연구원과 roll-to-roll공정을 개발하고 있다. 또한 ㈜코오롱인더스트리의 경우, 자체 개발한 polyimide 전기방사 지지체 등을 활용한 불소계 강화막을 개발하고 있다.
국내외 시장 동향
불소계 강화막은 현재 주로 고분자전해질연료전지(76%), CA 공정용 전해질 (23%)로 응용되고 있으며, 각 시스템의 성능 및 수명특성을 좌우하는 핵심소재로의 역할을 수행하고 있다. Pike Research(2012년)에 따르면, 수소연료전지 자동차 초기시장은 2015년 수소연료전지 자동차 상용화 이후 유럽과 미국에서 시장이 먼저 형성되고, 한국과 일본의 완성차가 그 시장을 주도할 것으로 전망된다.
2015년 수소연료전지 자동차 상용화 이후 시장규모 상승이 예측되며, 2022년 세계시장은 1.1조원 규모로 추산된다.
현재 자동차용 수소연료전지 전해질막으로는 불소계 강화막 이외의 별다른 대안이 없다는 기술적 현실을 고려하면, 수소이온전도성 전해질막 시장의 대부분은 불소계 강화막의 전해질막 시장이라 볼 수 있다.
Frost&Sullivan(2014년) 발표 자료에 따르면, 아래에서와 같이, 2022년 수소연료전지 자동차 생산량은 전 세계 자동차 시장의 2%인 연간 25만 대로 전망된다.
2022년 Frost&Sullivan 예측치 기반으로, 80kW급 수소연료전지 자동차(2022년 추산 예상판매가격/대 = 5천만 원)가 연간 25만대가 생산될 경우, 연료전지스택은 전체 자동차가격의 60%를 차지하며, 그 연료전지스택 가격 중 15%가 불소계 강화막 가격비율이며, 결과적으로 자동차 한 대당 불소계 강화막의 가격 비중은 9%(60%X15%)이고, 차량 한 대당 가격이 평균 5천만 원으로 가정 할 경우 수소연료전지 자동차 내 불소계 강화막의 가격은 1대당 450만 원으로 추산된다.
이러한 불소계 강화막을 면적으로 살펴보면, 2011년 Directed Technologies Inc. 자료에 보고된 바와 같이, 수소연료전지 자동차에 사용되는 불소계 강화막의 면적은 대당 14.2m2(MEA 수/대 = 396개)이고, 2022년 수소연료전지 자동차 생산규모 25만 대에 필요한 불소계 강화막의 면적은 355만m2로 추산된다.
그리고 해당 분야 전문가에 따르면, 미국이나 유럽에서도 수소연료전지 자동차를 개발하고는 있지만 당분간 수소연료전지 자동차 시장은 한국의 현대차와 일본의 토요타가 5 대 5 비율로 점유할 것으로 예측되고 있으며, 2015년 한국과 일본에서 각각 240대씩 합계 500여 대 내외의 수소연료전지 자동차가 생산될 것으로 전망되고 있다. 따라서 2015년 자동차용 불소계 강화막 시장 규모는 20억 원 내외에 그칠 전망이지만, Frost&Sullivan (2014년) 발표 자료에 따르면, 2022년에는 25만 대가 생산되어, 총 1.1조원 규모의 수소연료전지 자동차용 불소계 강화막 세계 시장규모가 형성될 전망된다.
불소계 강화막의 핵심부품인 PFSA소재는 듀폰, 3M, Dow, Solvay, Asahi Kasei E-Materials Co., Asahi Glass, Sumitomo 3M 등 다국적 기업들이 독자적으로 기술개발 및 생산, 판매를 하고 있다. 현재 듀폰사의 Nafion이 안정적인 양산체계구축에 따른 가장 높은 시장점유율을 가지고 있으며, Aciplex(Asahi Kasei사), Flemion(Asahi Glass사), 3M ionomer(3M사) 등이 개발된 상태이다. PFSA소재는 제조공정의 복잡성과 어려움, 기업 간 생산능력편차 등으로 인해 비교적 높은 생산단가($400/m2, Nafion212)가 형성되어 있다.
국내의 경우, 1990년대 중반 한화석유화학 및 화학연구원이 불소계 수지를 독자적으로 개발하는 것에 실패한 이후, 불소화학에 대한 산업적 기반부족과 연구인프라의 한계로 인해 전량수입에 의존하고 있다. 최근 자동차용 연료전지 불소계 소재의 대체소재로 LG화학, ㈜ 코오롱인더스트리, 동진세미켐 등에서 개발한 탄화수소계 전해질막의 경우 내구성 및 불소계 전극과의 계면접합성문제로 그 한계가 드러나, 보다 높은 기능성이 요구되는 자동차 시장에서는 불소계 소재 이외에는 큰 대안을 찾기가 어렵다고 평가되고 있다.
자동차용 고내구성 불소계 강화막의 경우, 전세계적으로 PTFE 다공성막을 생산하는 Gore사가 시장을 독점적으로 주도하고 있으며, 불소계 강화막 그 자체를 제품화한다기보다는 수소차단층을 포함한 전극층이 도포된 막-전극어셈블리(Membrane-electrode assembly; MEA)의 형태로 제품화하여 한정적으로 시판하고 있다. 국내의 경우, 기공 제어된 다공성 PTFE 보강막을 생산하는 ㈜코멤텍이 자동차탑재를 목표로 단국대학교, 자동차부품연구원과 roll-to-roll공정을 개발하고 있다. 또한 ㈜ 코오롱인더스트리의 경우, 자체 개발한 polyimide 전기방사 지지체 등을 활용한 불소계 강화막을 개발하고 있다.
국내 시장 활성화를 위한 선결과제 및 전략
2014년 말 Toyota를 시작으로, 2015년 현대자동차의 연료전지자동차 상용화에 따른 자동차용 수소연료전지 전해질막에 대한 국내외적 관심은 매우 높은 상태이다. 특히, 실제 적용 가능한 유일한 자동차용 전해질막으로 평가받는 불소계 강화막에 대해서는 Gore사의 시장독점권 견제 및 세계시장경쟁력 획득을 위해 기업 및 정부차원의 개발 및 지원이 이루어져야 한다.
불소계 강화막 제조를 위해서는 강화막 제조에 최적화된 고성능 PFSA 소재기술, PFSA 이오노머의 수용성 나노분산액화 기술, 다공성 지지체 제조기술, 다공성 지지체의 기공제어기술, PFSA-다공성지지체 상용성 향상기술, PFSA 이오노머의 연속함침기술, 불소계 강화막의 roll-to-roll 제조기술, 전처리 및 후처리기술 등 다양한 기술이 선결되어야 한다.
또한 자동차용 수소연료전지의 집적화 및 고효율화를 위해, 강화막의 두께는 10𝛍m 이하의 박막화가 이루어져야 한다. 그런데 막 두께가 얇아질 경우, 연료로 주입된 수소가스가 음극에서 반응하지 않고, 양극으로 투과되는 수소투과(hydrogen crossover)현상이 발생하게 되어 양극 촉매의 활성저하와 함께, 열분해가 일어나는 열화현상 및 라디칼형성반응이 쉽게 일어날 수 있다. 따라서 수소가스차단기술이 도입되거나, 투과된 수소를 양극에 이르기 전에 산화시키는 기술개발이 동시에 이루어져야 한다.
국내 연료전지 시장을 최종 수요기업인 현대자동차에서 주도하고 있는 반면, 최종 조립업체라는 업체의 특성으로 인해, 불소계 강화막을 자체적으로 개발하는 것에는 한계가 있다.
불소계 강화막 개발과 관련된 Gore사의 사례(자사 개발 PTFE+듀폰사의 수용성 나노분산액)를 관찰해보면, 불소계 강화막 국산화는 PFSA 소재의 전량수입 및 연구인프라의 한계 등과 맞물려, 수입된 불소계 수용성 나노분산액을 도입하여 다공성 PTFE나 적절한 다공성 지지체에 함침시키거나, 수입된 PFSA 이오노머를 수용성 나노분산액으로 2차 가공하여 기제조된 지지체에 함침시키는 방식이 유리할 것이다. 그리고 이를 위한 전문 강소 및 강견기업을 육성하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.