몇 년 전만 해도 ‘수소차’는 자동차 전시회의 콘셉트 부스를 장식하는 먼 미래의 이야기처럼 느껴졌어요. 그런데 2026년 현재, 수소 버스가 서울 도심을 달리고 수소 트럭이 항만 물류를 담당하는 모습은 이제 낯설지 않습니다. 하지만 이 기술의 심장부, 즉 연료전지 스택(Fuel Cell Stack) 안을 들여다보면 여전히 치열한 소재 전쟁이 벌어지고 있다는 걸 알 수 있어요. 더 오래 버티고, 더 저렴하게 만들고, 더 효율적으로 전기를 뽑아내는 소재를 개발하는 것—이게 지금 전 세계 연구자들이 매달리고 있는 핵심 과제라고 봅니다.
오늘은 2026년 기준으로 연료전지 스택 소재 개발이 어떤 방향으로 흘러가고 있는지, 숫자와 사례를 통해 함께 살펴보도록 해요.
① 연료전지 스택, 왜 소재가 이렇게 중요한가요?
연료전지 스택은 수소와 산소를 전기화학 반응시켜 전기를 생산하는 장치예요. 구조를 단순화하면 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly), 기체확산층(GDL, Gas Diffusion Layer), 분리판(Bipolar Plate)으로 구성됩니다. 이 세 가지 구성 요소 각각에 들어가는 소재의 성능이 곧 스택 전체의 출력·내구성·비용을 결정하는 구조예요.
현재 수소연료전지 시스템의 상용화를 가로막는 가장 큰 장벽 두 가지는 비용과 내구성으로 요약할 수 있어요. 미국 에너지부(DOE)가 설정한 2026년 목표 기준으로, 승용차용 연료전지 시스템의 목표 비용은 kW당 80달러 이하, 내구 수명은 8,000시간 이상입니다. 아직 상당수 상용 시스템이 이 두 목표를 동시에 달성하지 못하고 있는 상황이라, 소재 혁신이 필요한 이유가 여기에 있습니다.
② 2026년 기준 핵심 소재별 개발 동향
1) 촉매(Catalyst): 백금 사용량을 줄여라
MEA의 핵심인 촉매는 전통적으로 백금(Pt) 기반이에요. 문제는 백금이 금보다 비싼 귀금속이라는 점이죠. 현재 연구의 주류는 크게 두 갈래입니다. 첫째는 백금 합금 촉매(Pt-alloy)로, 백금에 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 등을 합금해 Pt 사용량을 줄이면서 활성도를 높이는 방식이에요. 2026년 기준으로 Pt-Co 합금 촉매는 순수 백금 대비 약 3~4배 높은 산소환원반응(ORR) 질량 활성도를 보여주고 있습니다. 둘째는 백금 저감(Low-Pt) 또는 비백금(PGM-free) 촉매 개발로, 철-질소-탄소(Fe-N-C) 계열 촉매가 특히 주목받고 있어요. 아직 내구성 면에서 백금계를 완전히 대체하진 못하지만, 2026년 현재 일부 연구 그룹에서 5,000시간 이상의 내구성 데이터를 확보하기 시작했다는 보고가 나오고 있습니다.
2) 고분자 전해질막(PEM): 불소 없이도 될까?
현재 상용화된 PEM의 표준은 듀폰(DuPont)의 나피온(Nafion) 계열 불소계 막이에요. 이온 전도성이 뛰어나고 내화학성이 강하지만, 제조 비용이 높고 100°C 이상 고온에서 성능이 급격히 저하된다는 단점이 있어요. 이를 극복하기 위해 두 가지 방향이 병행 연구 중입니다. 하나는 고온형 PEM(HT-PEM)으로, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반의 막이 120~180°C에서도 안정적으로 작동해 연료 불순물(CO 등)에 대한 내성이 높습니다. 다른 하나는 탄화수소계 막(Hydrocarbon-based PEM)으로, 불소 없이 설폰산기를 도입해 비용을 낮추면서도 이온 전도성을 유지하는 방향이에요. 국내 연구진을 포함해 여러 그룹에서 0.1 S/cm 이상의 이온 전도도를 탄화수소계 막으로 달성했다는 결과들이 발표되고 있습니다.
3) 분리판(Bipolar Plate): 금속이냐, 탄소냐
분리판은 스택 전체 무게의 약 60~80%를 차지하는 부품이에요. 전통적인 흑연(graphite) 분리판은 내부식성이 우수하지만 무겁고 가공 비용이 높습니다. 이를 대체하는 금속계 분리판(스테인리스강, 티타늄 등)은 얇게 프레스 성형이 가능해 스택 소형화에 유리하지만 부식 문제가 있었어요. 2026년 현재 이 문제는 DLC(다이아몬드형 탄소) 코팅, TiN, CrN 기반 표면 처리 기술의 발전으로 상당히 해소된 상황이라고 봅니다. 특히 코팅 두께를 수백 나노미터 수준으로 정밀하게 제어하는 PVD(물리기상증착) 기술이 양산 공정에 적용되면서 내부식성과 전기전도성을 동시에 잡는 방향으로 가고 있어요.
③ 국내외 주요 사례: 누가 앞서가고 있나요?
국내에서는 현대자동차그룹이 자체 개발한 5세대 수소 연료전지 시스템을 기반으로 넥쏘(NEXO) 후속 모델 및 대형 상용차(엑시언트 수소트럭)에 탑재하는 스택을 꾸준히 개선 중이에요. 특히 금속 분리판 기반 박형 스택을 통해 단위 부피당 출력 밀도를 높이는 데 집중하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 한국에너지기술연구원(KIER)과 한국과학기술연구원(KIST)에서도 비백금 촉매 및 탄화수소계 전해질막 관련 원천 기술 연구를 활발히 진행 중이에요.
해외에서는 토요타(Toyota)가 미라이(Mirai) 2세대에서 적용한 3D 미세유로 구조 전극 설계를 더욱 정교화하고 있으며, GM과 혼다의 합작법인인 Fuel Cell System Manufacturing(FCSM)은 2026년 현재 연간 수만 기 규모의 스택 양산 체계를 갖추고 비용 절감에 속도를 내고 있습니다. 소재 측면에서는 3M이 나노구조 박막 촉매(NSTF, Nanostructured Thin Film) 기술로 Pt 사용량을 기존 대비 대폭 줄인 MEA를 공급하고 있어요. 유럽에서는 독일 바이에른 주 수소 클러스터를 중심으로 엘링클링거(ElringKlinger), 지멘스 에너지(Siemens Energy) 등이 고온형 PEM 및 분리판 코팅 소재 개발을 이끌고 있다는 점도 주목할 만합니다.
④ 2026년 현재 가장 뜨거운 이슈: 내구성과 재활용
최근 소재 개발 트렌드에서 빼놓을 수 없는 키워드가 바로 내구성(Durability)과 순환경제(Circular Economy)예요. 아무리 성능이 좋아도 5,000시간 안에 열화되면 상용화 의미가 없고, 수명이 다한 MEA에서 백금을 회수·재활용하는 기술 없이는 진정한 친환경 에너지라고 부르기 어렵죠.
- 촉매 열화 억제: 백금 나노입자가 운전 중 뭉치는 오스트발트 숙성(Ostwald ripening) 현상을 막기 위해 코어-쉘(Core-Shell) 구조 촉매나 단원자 촉매(Single Atom Catalyst, SAC) 연구가 2026년 가장 활발한 분야 중 하나입니다.
- 막 핀홀(Pinhole) 방지: 고온·고습도 반복 조건에서 발생하는 막 핀홀은 스택 수명을 단축시키는 주범이에요. 세리아(CeO₂) 나노입자를 막에 분산시켜 과산화수소 라디칼을 포착하는 라디칼 스캐빈저 기술이 주목받고 있습니다.
- GDL 소수성 코팅 내구성: 기체확산층의 PTFE 코팅이 장기 운전 중 벗겨지면 물 관리(Water Management)가 무너져요. 이를 해결하기 위한 내구성 높은 대체 소수성 코팅 소재 탐색이 진행 중입니다.
- 백금 회수 및 재활용: 폐MEA에서 습식 화학 공정이나 마이크로웨이브 소성법으로 백금을 90% 이상 회수하는 기술이 일부 기업에서 상용화 단계에 접어들고 있습니다.
- 무불소(Fluorine-free) 소재 전환 압박: EU의 PFAS(과불화화합물) 규제 강화 흐름이 나피온 기반 소재에 대한 대체 소재 개발을 더욱 가속화하고 있어요.
⑤ 앞으로의 전망: 2030년을 향한 로드맵
2026년 현재 수소 연료전지 스택 소재 분야는 단순한 연구 단계를 넘어 양산 적합성(Manufacturability)을 염두에 둔 개발로 무게중심이 이동하고 있다고 봐요. 실험실에서 성능이 좋아도, 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정이나 고속 프레스 성형 공정에 적용 가능하지 않으면 상용화로 이어지지 않습니다. 앞으로의 핵심은 소재 성능-
태그: []
Leave a Reply