Special 차세대 연료전지 및 전해전지 개발 동향(1)

친환경 모빌리티 생태계 구축을 위한 수소연료전지 촉매 소재 개발 동향

백지은_한국과학기술연구원 수소연료전지연구단 박사과정

이응준_한국과학기술연구원 수소연료전지연구단 박사후연구원

유성종_한국과학기술연구원 수소연료전지연구단 단장

1. 서 론

탄소중립 사회로의 전환은 우리 시대가 직면한 가장 중요한 과제이며, 그 핵심 축으로 수소경제가 자리 잡고 있다. 이러한 흐름 속에서 고분자 전해질 막 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)는 수소를 전기로 직접 변환하는 대표적인 고효율 에너지 변환 기술로 다시 주목받고 있다. PEMFC는 약 80℃의 비교적 낮은 작동 온도에서도 1 W/cm2 이상의 높은 출력밀도를 구현할 수 있으며, 수 초 이내의 빠른 부하 응답성과 우수한 모듈 확장성을 바탕으로 PEMFC의 적용 분야도 빠르게 확대되고 있다. 초기에는 승용차와 가정용 발전이 주요 응용 분야였지만, 최근에는 대형 상용차(Heavy-duty vehicle, HDV), 철도·선박 등 장거리 운송, 드론, 분산발전 및 정치형 발전으로 활용 범위가 넓어지고 있다. 특히 인공지능(Artificial Intelligence, AI)의 급속한 확산으로 전력 수요가 급증하는 데이터센터에서는 에너지저장장치(Energy storage system, ESS), 소형모듈원자로(Small modular reactor, SMR), 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)와 함께 PEMFC가 안정적이고 친환경적인 차세대 전력원으로 주목받고 있다. PEMFC는 70% 이상의 높은 시스템 효율과 초 단위의 빠른 부하 응답 특성, 그리고 kW급에서 MW급까지 손쉽게 확장 가능한 모듈형 구조를 갖추고 있어, 수송과 발전을 아우르는 다양한 분야에서 탄소중립 사회를 실현할 핵심 에너지 변환 기술로 평가받고 있다 [1,2]. (그림 1)

  본 스페셜 이슈에서는 이러한 기술 발전 흐름 속에서 수소연료전지의 성능과 내구성을 결정하는 촉매 소재의 최신 개발 동향을, 특히 원자 규칙성(atomic ordering) 과 나노 형상 제어(nano-architecture engineering)를 융합한 설계 전략을 중심으로 살펴본다. 이러한 설계 개념의 전체적인 흐름을 그림 1에 요약하였다. 화학적 질서를 포함하는 낮은 온도에서 형성되는 단거리 규칙(short-range order, SRO)과 높은 온도에서 형성되는 장거리 규칙(long-range order, LRO) 기반의 원자 배열 제어는 입자 크기, 결정 형상, 표면 보호 층 등 나노 구조 제어 전략과 유기적으로 결합되어 차세대 PEMFC 촉매의 활성과 내구성을 동시에 향상시키는 핵심 설계 패러다임을 제시한다. 이러한 촉매 설계 기술은 궁극적으로 고성능·고내구 연료전지 시스템 구현을 가능하게 함으로써 수소 모빌리티는 물론 분산발전, 발전용 연료전지, AI 데이터센터 전원 등 다양한 수소 기반 에너지 응용 분야의 확대를 뒷받침하는 핵심 기반기술로 자리매김할 것으로 기대된다.

그림 1. 본 스페셜 이슈의 핵심 개념을 요약한 개념도(그래픽 초록). 단거리 규칙(SRO, 저온)과 장거리 규칙(LRO, 고온)을 아우르는 원자 규칙성 전략과 크기·보호 층·형상 제어 등 형상 전략을 결합하여, 차세대 PEMFC 촉매의 활성과 내구성을 동시에 확보하고 상용차·발전·데이터센터용 전력원으로 확장하는 통합 설계 전략을 나타냄[21]

  이처럼 적용 분야가 확대되면서 PEMFC에는 더욱 높은 출력과 효율, 그리고 장기 내구성이 동시에 요구되고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위한 가장 효과적인 전략 가운데 하나는 운전 온도를 현재의 약 80℃에서 90–120℃의 고온 영역으로 높이는 것이다. 운전 온도가 상승하면 산소환원반응(Oxygen reduction reaction, ORR)의 반응속도가 향상되고, 양성자 전달과 기체 확산이 촉진되며, 반응열과 냉각수 사이의 온도 차가 감소하여 열관리 효율도 크게 향상된다. 이러한 이유로 일본 NEDO (New energy and industry technology development)의 상용차용 연료전지 로드맵은 2030년경 최대 냉각수 온도 105℃, 2035~2040년경에는 120℃ 운전을 목표로 제시하고 있다[1,3]. 장거리·고부하 조건에서 장시간 운전되는 상용차의 특성을 고려하면, 고온 운전은 시스템 효율과 출력 밀도를 동시에 향상시킬 수 있는 핵심 기술로 인식되고 있다. (그림 2)

  그러나 고온 운전은 연료전지 촉매의 열화(degradation)를 가속화하는 양면성을 지닌다. 높은 온도에서는 Pt 합금 촉매에 포함된 전이금속(Ni, Co, Fe 등)의 용출이 촉진되고, 합금 구조와 표면 조성이 지속적으로 변화하면서 촉매 활성이 감소한다. 또한 용출된 금속 이온은 전해질막과 이오노머 내부로 이동하여 양성자 전도도를 저하시킬 뿐 아니라 막 오염과 화학적 열화를 유발함으로써 시스템 전체의 성능과 수명을 동시에 악화시킨다. 결국 고효율·저비용·고내구성을 동시에 달성해야 하는 PEMFC 상용화 과정에서 촉매의 내구성 확보는 여전히 해결해야 할 가장 중요한 기술적 과제로 남아 있다 [2]. 

그림 2.  차세대 PEMFC 성능 발전 방향. (a) 승용·상용차용 연료전지 내구 목표, (b) 정격출력 조건에서의 셀 전압과 냉각수 온도의 상관관계, (c–d) NEDO 상용트럭 로드맵(2030/2035/2040)의 고온 목표, (e) 반응속도·저항·물질전달 손실을 최소화한 이상적 고온 운전 곡선 [1, 3]

  이 두 가지 원자 규칙성은 촉매 안정화를 위한 서로 다른 장점과 한계를 갖는다. LRO는 결정 전체의 열역학적 안정성을 높이고 전이금속 용출을 효과적으로 억제할 수 있지만, 일반적으로 고온 열처리가 필요하여 입자 성장, 형상 붕괴, 표면 결함과 같은 부작용을 수반한다. 반면 SRO는 상대적으로 낮은 온도에서도 형성될 수 있어 기존 나노 형상을 유지하면서 국소적인 원자 결합을 강화하고 표면 화학 환경을 안정화함으로써 촉매의 활성과 내구성을 동시에 향상시킬 수 있다. 따라서 최근에는 원자 규칙성과 나노 형상을 독립적인 설계 요소가 아닌 상호 보완적인 인자로 통합하는 접근법이 차세대 PEMFC 촉매 설계의 새로운 패러다임으로 주목받고 있다.

  본 스페셜 이슈에서는 합금 촉매에서 활성과 내구성 사이의 본질적인 상충 관계(trade-off)를 극복하기 위한 최신 연구 동향을 정리하고자 한다. 특히 원자 재배열을 통한 SRO/LRO 제어와 입자 크기, 결정 형상, 표면 보호 층 등을 아우르는 나노 형상 공학(nano-architecture engineering)을 결합한 통합 설계 전략이 차세대 PEMFC 촉매 개발에 어떠한 새로운 가능성을 제시하는지 중점적으로 살펴보고자 한다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 e-북, PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>