신기술 1 // 에너지연, EU 연구기관과 수소연료전지 핵심 기술 공동연구 수행

편집부 기자
입력 2024.11.22 00:00

에너지연, EU 연구기관과 수소연료전지 핵심 기술 공동연구 수행

‘코어-쉘 전극촉매 기술’ 고도화로 백금 촉매 사용량 저감 목표

한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 유럽연합(EU)이 주관하는 <메라넷3> 프로그램에 참여한다. <메라넷3>은 신소재, 에너지, 환경 등 폭넓은 분야의 연구 협력과 산업적 응용이 가능한 혁신 기술을 개발하는 데 중점을 두고 있으며, 덴마크, 독일 등 EU 회원국 25개국과 우리나라를 포함한 비유럽 10개국이 참여하고 있다. 에너지연은 오스트리아 AIT, 프랑스 CNRS 등 유럽 주요 연구기관과 컨소시엄을 구성하고 2024년 7월부터 2027년 6월까지 3년간 수소연료전지 핵심 원천기술 공동연구를 수행한다.

정리 편집부

자료제공 KIER

<메라넷3> 프로그램은 EU 및 전 세계 35개국 국가들이 참여하는 국제 공동연구 프로그램으로, 주로 재료과학(Materials Science)과 관련된 연구 및 기술 개발을 촉진하기 위해 설계되었다. <메라넷3>은 메라넷(M-era.Net) 시리즈의 세 번째 단계로, 이전 단계들에 이어 지속 가능한 기술과 혁신적인 재료 솔루션 개발을 목표로 하고 있다.

2024년 <메라넷3>의 주요 협력 분야는 지속 가능한 에너지 소재, 고성능 복합체, 기능성 및 친환경 소재, 차세대 전자 소재 등이다. 해당 분야에서의 국제 협력으로 기술의 국경을 넘는 새로운 지식과 혁신의 기회 창출을 위한 지원 프로그램이다.

특히 이 프로그램은 국내 기업 및 연구기관이 세계적인 R&D 네트워크에 참여하고, 글로벌 수준의 연구 역량을 강화할 수 있는 기회를 제공한다. 또한 해외 기술 자원의 효율적 활용과 첨단 기술 확보를 통해 우리 산업의 글로벌 경쟁력을 높이는데 기여할 수 있다. 국내에서는 한국산업기술진흥원(KIAT) 국제협력사업실에서 프로그램을 담당하고 있다.

최고 수준의 소재 원천기술 확보 계획

총 5개 기관으로 구성된 컨소시엄에는 에너지연과 함께 유럽의 대표 연구기관인 오스트리아기술연구소(AIT), 프랑스국립과학연구소(CNRS) 등이 참여한다. 에너지연은 국내 주관기관으로 선정돼 고성능 전극 촉매와 소재 연계 기술의 개발을 주도한다.

컨소시엄이 추진하는 ‘히어로즈(HEROES)’ 과제의 핵심은 에너지연이 보유한 ‘코어-쉘 전극 촉매 기술’을 활용해 백금 촉매의 사용량을 낮추는 것이다. HEROES(Hydrogen Conversion Enhancement for PEMFC through Innovative Design in Materials and Membrane-Electrode-Assembly)는 고분자 전해질 연료전지 소재 및 막전극접합체의 혁신 설계 기반 수소-에너지 전환 향상 기술을 뜻한다. 이를 통해 연료전지 스택 비용을 기존보다 20% 절감하고 에너지 전환 효율을 65% 이상으로 개선해 세계 최고 수준의 소재 원천기술을 확보할 계획이다.

핵심 기술 개발 내용은 ▶연료전지용 고내구성 저백금(Low-PGM) 합금 촉매 및 비백금 촉매 개발 ▶초박막 분리판을 적용한 경량화 기술 개발 ▶혁신적인 막전극접합체 설계 및 고전압·고출력 성능 확보 ▶고효율·저비용 연료전지를 위한 소재·부품 연계 기술 개발 등이다.

기술고도화로 백금 사용량 낮추는 것 목표

연료전지의 전극 촉매로는 귀금속인 백금이 주로 사용된다. 전기를 생성하는 반응성이 다른 소재보다 월등히 높아 핵심 소재로 사용되지만 희귀하기 때문에 단가도 높다. 전극 촉매 비용이 연료전지 스택 제조 비용의 60%를 차지하는 이유다.

이에 이번 공동연구는 에너지연의 코어-쉘 전극 촉매 기술을 고도화해 백금 사용량을 낮추는 것을 목표로 하고 있다. 코어-쉘 전극 촉매 기술은 팔라듐 등의 물질을 중심 금속으로 사용하고 겉을 백금으로 덮는 기술이다. 이를 통해 백금 사용량을 최소화할 수 있지만, 복잡한 제조 공정 때문에 그동안 양산화 단계에 접어들지 못했다. 연구진은 이 기술을 고도화해 촉매 생산량을 기존보다 10배 수준으로 올리고, 백금 사용량도 40% 저감해 스택 제조 비용을 20% 이상 낮춘다는 계획이다.

또 최근 글로벌 공급망 문제로 단가가 높아지고 있는 중심 금속의 사용을 줄이거나 대체하는 기술을 확보하는 것도 중요하게 다뤄질 예정이다. 최종적으로는 CNRS와 에너지연의 기술을 통해 제작된 막전극접합체(MEA)와 IAG에서 개발한 셀을 함께 적용해 연료전지의 에너지 전환 효율을 65% 이상으로 끌어올리는 것을 목표로 한다.

기술 혁신성 및 예상 기대 효과

본 과제는 고내구성 저백금(Low-PGM) 전극 촉매 개발과 이를 활용한 혁신적인 막전극접합체 설계를 통해 기존 연료전지 기술의 한계를 극복하고, 에너지 전환 효율 향상(40%→65%) 및 경제성(가격 절감 20%)을 획기적으로 개선하여 세계 최고 수준의 소재 원천 기술 확보를 위함이다.

기대 효과로는 ▶(기술적) 고성능/고내구성/경량 연료전지 소재 기술 확보 ▶(경제적) 연료전지 소재·부품 국산화 및 가격 절감을 통한 수소 경제 활성화 ▶고내구성 전극 촉매 및 혁신적인 전극 설계안이 적용된 수소 첨단 모빌리티의 상용화 등이다.

국내 주관 연구책임자인 에너지연 박구곤 박사는 “수소연료전지용 전극 촉매 기술과 혁신적인 막전극접합체 설계를 통해 세계 최고 수준의 소재·부품 원천기술을 확보할 계획”이라며, “개발된 기술을 친환경 모빌리티와 초고효율 발전 분야에 적용함으로써 수소 경제 활성화에 기여할 수 있을 것”이라고 전했다.