1. 고성능 및 저비용 재료 개발(PEMFC 중심)

연료전지, 특히 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 광범위한 상용화를 위해서는 시스템의 원가를 절감하고 내구성을 확보하는 것이 가장 시급한 기술적 논점이다.

▣ 촉매 기술 개발 논점: 백금계 촉매의 한계와 비백금계 촉매의 연구 동향

기존 수소연료전지는 주로 백금(Pt)을 촉매로 사용했으나, 백금의 희소성과 높은 가격은 차량 및 발전소 등의 광범위한 상용화를 어렵게 만드는 핵심적인 장애물이다. 이에 따라 백금을 대체할 수 있는 고성능, 저가 촉매 개발에 대한 수요가 급증하고 있으며, 특히 음이온 전해질막 수소연료전지(AEMFC)에 적용할 수 있는 비백금계 산소 환원 반응(ORR) 촉매 개발이 R&D의 주요 초점이다.

2020년에 국내 연구진은 값비싼 백금 대신 철과 질소 전구체를 다공성 실리카에 나노주형법으로 제조한 비백금계 촉매를 개발했다. 이 촉매는 염기성 조건에서 백금보다 우수한 성능을 나타내는 것으로 확인되었으며, 이는 연료전지 단가 절감 및 차량, 발전소, 가정용 등으로의 폭넓은 적용에 크게 기여할 것으로 기대된다.

▣ 내구성 확보 논점: 탄소 지지체 부식 문제 극복 및 비탄소계 지지체 연구

PEMFC 성능 저하의 결정적인 원인은 촉매(Pt) 열화와 촉매 지지체(Carbon Support)의 부식이다. 백금은 고전위(0.8V 이상) 및 산성 조건에서 전기화학적으로 용해되거나, 작은 입자들이 응집(Agglomeration)되어 전기화학적 활성 면적(ECSA)을 감소시킨다.

동시에, 촉매를 지지하는 탄소 소재는 특히 고전위와 가습 조건에서 부식되어 촉매 활성 사이트가 손실되고 백금 나노 입자가 표면에서 이탈하는 현상을 유발한다.

이러한 열화는 심각하여, 단 64시간의 짧은 작동 기간 동안에도 1000 mA cm⁻² 전류 밀도에서 셀 전압이 91 mV 하락하는 등 13.4%의 성능 손실이 발생했다.

특히, 수송용 PEMFC의 성능을 높이기 위해 고전류 밀도에서 운전하게 되면 이는 음극의 고전위를 지속적으로 유발하며, 현존하는 Pt/C 촉매 시스템은 고효율과 장기 내구성이라는 두 가지 상업적 필수 요건 사이의 근본적인 기술적 상충 관계(Trade-off)에 직면한다. 이 문제를 해결하기 위해, R&D는 촉매 지지체 부식 문제 해결을 위한 대체 물질, 즉 비탄소계 지지체 개발에 집중한다.

연구되는 대체 물질에는 금속 산화물(예: Ti-Sn 계열, WOx), 질화물(Nitrides), 탄화물(Carbides, 예: SiC, WC), 메조포러스 실리카, 전도성 고분자 등이 포함되며, 이는 촉매 열화 속도를 획기적으로 낮출 수 있는 핵심 대안으로 간주된다.

▣ 전해질막(Membrane) R&D 논점: 화학적/기계적 열화 방지 및 오염 제어 기술

고분자 전해질막은 연료전지 스택의 핵심 부품으로, 내구성 확보가 필수적이다. 전해질막은 연료전지 운전 중 생성되는 반응성 활성종(•OH) 및 (•OOH) 등에 의한 화학적 공격을 받거나, 수화 및 탈수 주기와 스택 내 기계적 응력으로 인해 기계적 열화를 겪는다.

이러한 열화는 이온 전도도를 감소시키고, 수소가 막을 통과하여 산소와 직접 반응하는 가스 크로스오버를 증가시켜 효율 저하 및 안전 문제를 유발하며 궁극적으로 연료전지 고장을 초래한다.

따라서 R&D는 이온 저항을 증가시키는 외부 오염물질 유입 방지 기술과 함께, 화학적 및 기계적 내구성이 강화된 고성능 전해질막을 개발하는 데 집중하고 있다.

<표> PEMFC 촉매 및 지지체 분야 주요 R&D 논점 및 기술적 해결책

자료: 각종 기사와 정보를 종합

2. 수소 저장 매개체 활용 다변화

연료전지 R&D 분야는 수소의 저장 및 운송이 어려운 난점을 해결하고, 고 에너지 밀도가 요구되는 특수 시장을 선점하기 위해 수소 외의 대체 연료를 직접 사용하는 기술 개발에도 집중하고 있다.

▣ 직접 암모니아 연료전지(DAFC)의 기술적 도전과제 분석

암모니아는 높은 수소 밀도와 장거리 운송 및 저장의 용이성을 제공하며, 탄소 중립 사회에서 유망한 수소 저장 물질 및 직접 무탄소 연료로 주목받는다. 암모니아를 별도의 개질(Cracking) 과정 없이 직접 연료로 사용하는 직접 암모니아 연료전지(DAFC)는 시스템 구조를 단순화하고 고순도 수소 생산에 소모되는 추가 에너지를 절감하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 높은 잠재력을 보유한다.

그러나 DAFC는 기술적 도전과제에 직면했다. 저온 작동 조건(100°C 이하)에서는 암모니아 산화 반응(AOR)의 느린 동역학과 중간 생성물(Nads, NOads)의 비가역적 흡착으로 인한 촉매 피독 현상 때문에 전력 밀도가 낮아지는 문제가 있다.

반면, 고온 작동 조건(700~900°C)에서는 장기 구동 시 촉매의 소결 및 질화로 인한 내구성 문제가 발생한다.

현재 연구는 이러한 한계를 극복하고 고성능 직접 암모니아 음이온교환막 연료전지(DA-AEMFC)를 구현하기 위한 촉매, 전극 소재 개발 및 시스템 설계 전략에 집중된다.

▣ 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 상용화 논점

직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 액체 메탄올의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하며, 높은 에너지 밀도, 소형 및 간단한 연료 공정이라는 장점을 가진다.

이러한 이점을 바탕으로 DMFC 시장은 휴대용 전원 애플리케이션의 대규모 활용을 통해 2024년부터 2032년까지 18.5%의 높은 CAGR 성장이 예상되며, 2032년에는 4.654억 달러 규모에 이를 것으로 추정된다.

DMFC 상용화를 위해서는 기술 개발이 필수적이다. 특히, 효율적인 촉매 및 튼튼한 양성자 교환 막(Proton Exchange Membrane)을 개발하는 것이 중요하다. 또한, 메탄올이 전해질 막을 통과하여 음극으로 이동하는 '메탄올 크로스오버' 현상을 예방하는 기술 발전이 제품 채택을 강화할 것으로 예상된다. 정부, 민간 기업, 연구기관의 연구 자금 및 투자가 증가하면서 DMFC 기술 개발 및 상용화 노력을 지원하고 있다. DMFC는 소비자 가전 및 소형 발전 등 틈새시장(Niche Market)에 집중하는 전략을 취하고 있다.

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