Special 차세대 연료전지 및 전해전지 개발 동향(1)

수소연료전지용 차세대 촉매 개발 동향

김민준_한국과학기술원 신소재공학과 박사과정

조은애_한국과학기술원 신소재공학과 교수

1. 서론

전 세계적 문제로 부상한 지구온난화에 대응하기 위해, 이산화탄소 배출을 줄여 탄소중립 사회로 전환하려는 노력이 계속되고 있다. 에너지의 생산·수송·저장 전 과정에서 탄소 배출이 뒤따르는 화석연료 기반 체계를 벗어나기 위한 대안으로, 재생에너지를 수소의 형태로 저장했다가 필요할 때 다시 전기로 변환해 사용하는 수소에너지 체계가 주목받고 있다. 우리나라는 수소연료전지 자동차 양산을 비롯해 수소 활용 분야에서 세계적인 기술력을 확보하고 있다.

  연료전지는 수소를 연료로 사용하여, 연료극(anode)과 공기극(cathode)에서 각각 일어나는 산화·환원 반응의 전위 차이로 전자가 외부 회로를 흐르게 함으로써 전기를 생산하는 장치다. 전체 반응은 물의 전기분해를 거꾸로 돌린 것과 같아, 연료극에서는 수소가 산화되어 전자를 내놓고 공기극에서는 산소가 환원되어 물이 생성된다. 연료전지는 두 전극 사이에서 전하를 전달하는 전해질의 종류에 따라 용융탄산염, 고체산화물, 인산형, 알칼리, 직접메탄올, 고분자전해질 연료전지 등으로 나뉘며, 전해질에 따라 작동 온도와 이동하는 이온, 주요 용도가 크게 달라진다.

표 1. 연료전지의 종류와 특징

  이 가운데 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 그 중에서도 양성자 (H+)가 이동하는 고분자전해질 연료전지 (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 비교적 낮은 온도에서 작동하고 출력 밀도가 높아, 수소연료전지 자동차(현대 넥쏘, 도요타 미라이 등)와 건물용 발전 장치로 널리 사용되고 있다. 다만 본격적인 보급을 위해서는 가격 저감과 함께 성능·내구성 개선이 여전히 과제로 남아 있다.

  PEMFC는 전하가 이동하는 전해질 막을 중심으로 연료극과 공기극이 배치되고, 기체와 냉각수를 공급하는 분리판(bipolar plate), 기체 확산을 돕는 기체확산층(GDL) 등으로 구성된다 (그림 1). 이때 연료극·전해질막·공기극을 하나로 접합한 부분을 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)라 하며, MEA는 연료전지의 성능과 내구성을 좌우하는 핵심 구성요소인 동시에 전체 원가에서 큰 비중을 차지한다. 따라서 연료전지의 경쟁력은 상당 부분 MEA, 그 중에서도 전극 반응을 실제로 일으키는 촉매의 성능에 달려 있다.

그림 1. PEMFC의 구조[1]

  전극 촉매를 개선해야 하는 이유는 크게 세 가지 목표로 요약된다. 바로 고활성, 고내구성, 저비용이며, 이 세 목표는 서로 독립적이지 않고 얽혀서 연료전지의 상용화 가능성을 함께 결정한다. 특히 연료전지의 주력 시장으로 주목받고 있는 대형 트럭, 버스와 같은 상용차는 긴 주행거리와 가혹한 운전 조건을 견뎌야 하기에 약 25,000시간(대략 10년)에 이르는 긴 수명이 요구된다[2]. 그런데 원가를 낮추기 위해 귀금속 사용량을 줄이면 오히려 수명이 짧아지는 상충 관계가 존재한다. 이러한 한계를 극복해 촉매·시스템의 목표가 달성되고 수소 공급 가격이 낮아지면, 2030년경 연료전지차의 총 소유비용이 내연기관차와 대등한 수준까지 낮아질 수 있다는 분석도 제시되어 있다[3]. 결국 이 세 목표를 동시에 끌어올리는 일이 연료전지 상용화의 관건이며, 전극 촉매 연구의 근본적인 목적이다.

그림 2. (a) 단일금속의 ORR volcano plot[4], (b) 투과전자현미경으로 관찰한 백금 촉매(Pt/C).

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