수소차 연료전지 스택 열화: 촉매 손상 및 막 파괴 원인과 대책

수소연료전지차(FCEV)는 수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 생산하는 미래 모빌리티의 핵심입니다. 그러나 핵심 부품인 연료전지 스택은 다양한 환경 요인(온도, 습도, 부하 변동)에 의해 성능 저하 및 고장이 발생하며, 이것이 차량의 주요 고장 원인으로 꼽힙니다. 따라서 수소차의 장기적인 내구성과 신뢰성을 확보하기 위해 스택의 열화 및 손상 메커니즘을 심층 분석하는 것이 필수적인 연구 과제입니다.

핵심 부품, 연료전지 스택(Stack)의 구조적 및 화학적 열화

수소차 고장의 가장 근본적이고 직접적인 원인은 전기를 생산하는 핵심 요소인 연료전지 스택(Stack), 그중에서도 특히 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 점진적인 성능 저하에 있습니다. MEA는 수소 이온 통로인 전해질 막(Membrane)과 반응을 촉진하는 백금 촉매(Catalyst)로 구성되어 있으며, 이들의 열화는 차량의 효율과 수명을 결정짓는 핵심 변수입니다. 이 복합적인 열화 경로는 크게 촉매의 구조적 변화와 막의 화학적 손상으로 구분됩니다.

1. 백금 촉매 열화 (Catalyst Degradation): 활성 표면적 감소

촉매는 수소와 산소의 반응 효율을 결정하는 '엔진'과 같습니다. 촉매 열화는 주로 불안정한 고온 운전 환경이나 잦은 시동/정지(Start/Stop) 사이클 시 발생하는 고전압 노출이 반복될 때 가속화됩니다. 이 과정에서 미세한 백금(Pt) 입자들은 다음과 같은 현상을 겪습니다:

• 백금 응집(Agglomeration): 미세한 백금 나노 입자들이 열역학적 안정성을 찾기 위해 서로 뭉쳐져(응집) 활성 표면적을 급격히 감소시킵니다.
• 백금 용해 및 재침착(Dissolution and Reprecipitation): 특히 높은 전압에서 백금 입자가 전해질에 용해되었다가 다른 곳에 다시 침착되면서 촉매층이 얇아지고 기능이 상실됩니다.

이러한 구조적 변화는 전력 생산 효율을 직접적으로 떨어뜨리고 결국 스택의 최대 출력을 제한하게 됩니다.

2. 전해질 막 손상 (Membrane Degradation): 기계적 및 화학적 파괴

전해질 막은 수소 이온만 선택적으로 통과시키는 핵심 격벽 역할을 수행합니다. 이 막의 손상은 성능 저하를 넘어 안전에 직결될 수 있는 심각한 문제입니다.

수소차 고장의 주요 원인 중 하나인 전해질 막 손상은 '수분 관리 실패'와 '불순물 침투'라는 두 가지 치명적인 경로를 통해 발생하며, 이는 곧 수소와 산소의 혼합(크로스오버)을 유발합니다.

(1) 기계적 스트레스에 의한 손상

전해질 막은 운전 중 건조와 습윤 상태가 반복되면서 팽창과 수축을 거듭합니다. 이러한 수분 변화에 따른 기계적 스트레스가 누적되면 미세한 핀홀이나 균열이 발생하기 쉽습니다. 특히 급격한 환경 변화는 막의 내구성을 빠르게 약화시킵니다.

(2) 화학적 불순물에 의한 손상

수소 연료나 공기 내에 존재하는 미량의 불순물(예: 일산화탄소(CO), 황산화물(\text{SO}_x), 질소산화물(\text{NO}_x) 등)은 촉매층을 오염시키거나, 막 자체와 반응하여 화학적으로 막을 손상시킵니다. 이 화학적 열화는 수소 누출을 가속화시키며, 연료전지의 전체 수명을 결정하는 가장 예측하기 어려운 요소 중 하나입니다.

최적 성능 유지를 위한 정교한 수분 및 온도 관리 시스템 결함

연료전지 스택의 핵심인 MEA(막-전극 접합체)의 고효율 운전을 위해서는 60^\circ C에서 90^\circ C 사이의 좁은 온도 범위와 정밀하게 조절된 수분 환경이 필수적입니다. 이 조건을 벗어나는 것은 곧 스택의 성능 저하 및 영구적인 화학적, 물리적 손상을 초래하는 주요 수소차 고장 원인으로 지목됩니다. 따라서 온도 및 수분 관리를 담당하는 BOP(Balance of Plant) 시스템의 정밀도와 내구성이 곧 차량의 수명과 직결됩니다.

1. 수분 과포화(Flooding) 및 건조(Drying) 현상과 그 증상

수분 불균형은 전해질 막의 이온 전도도와 기체 확산 속도에 직접적인 영향을 미칩니다. 특히, 차량의 운전 환경(저부하, 저온 등)에 따라 이 두 가지 상반된 문제가 번갈아 발생하며 스택의 안정성을 해칩니다. 다음 표는 두 현상의 차이점과 결과를 명확히 보여줍니다.

현상	주요 원인	결과 (고장 증상)
수분 과포화 (Flooding)	과도한 물 생성, 기체 확산층(GDL)의 배수 능력 저하	수소/산소 공급 차단, 차량 출력 급감 및 불안정
수분 부족 (Drying)	고온 운전, 과도한 공기량 대비 낮은 습도	이온 전도도 하락, 전해질 막의 물리적 균열 발생

2. 냉각 시스템 이상 및 열적 스트레스 가중

냉각 시스템은 스택을 적정 온도로 유지하여 MEA의 열화 속도를 늦추는 핵심 방어선입니다. [Image of Fuel Cell Cooling System] 냉각수 펌프의 고장이나 냉각수 누설과 같은 사소한 계통 부품의 이상은 단 몇 분 만에 스택을 과열시켜 셀 전압을 급락시키고 전해질 막에 돌이킬 수 없는 손상을 입힐 수 있습니다.

또한, 수소차의 운행 중 반복되는 시동 및 정지 과정에서 발생하는 열적 부하(Thermal Stress)는 MEA에 물리적인 피로를 누적시켜 수명 단축을 가속화합니다.

혹한기 운전은 또 다른 문제입니다. 스택 내부에 잔여 수분이 얼어붙는 현상은 전해질 막에 반복적인 물리적 스트레스를 가하고 가스 확산 통로를 막아 시동 불량을 유발하는 주요 고장 원인으로 파악됩니다. 따라서 극한 환경에서도 정밀한 온도/수분 제어를 유지하는 것이 내구성을 확보하기 위한 가장 근본적인 기술적 과제입니다.

외부 환경 요인: 수소 품질 불량 및 초고압 시스템의 복합 결함

연료전지 시스템 자체의 문제 외에도, 외부에서 유입되는 수소 연료의 품질과 이를 저장 및 공급하는 초고압 시스템의 기계적 내구성 문제가 FCEV 고장의 중요한 원인으로 작용합니다. 이 두 요인은 차량 외부 환경이나 부품 자체의 복합적인 열화로 인해 발생하며, 안전과도 직결됩니다.

1. 수소 연료 내 불순물(CO, \text{H}_2\text{S})에 의한 촉매 피독 및 성능 저하

수소차에 주입되는 수소의 순도는 국제 표준(ISO 14687)에 따라 99.97% 이상이 요구되지만, 충전 과정에서 유입되는 미량의 불순물이 치명적입니다. 특히 일산화탄소(CO)가 유입되면 연료전지 스택의 백금 촉매에 강력하게 흡착되어 촉매의 활성도를 떨어뜨리는 피독(Poisoning)을 유발합니다.

더욱 심각한 것은 황화수소(\text{H}_2\text{S})로, 이는 촉매의 화학적 구조를 영구적으로 변형시켜 재생이 어려운 수준의 비가역적 손상을 초래합니다. 이러한 불순물은 최종적으로 차량의 최대 출력 감소와 연료전지 스택 전압의 급격한 강하를 초래하며, 심할 경우 시스템 보호를 위해 시동이 불량해지는 원인이 됩니다.

수소 품질 관리의 중요성

실제 국내외 운영 사례에서 충전소 수소 품질 이슈가 직접적인 고장 원인으로 확인된 바 있습니다. 이는 단순한 차량 정비의 문제를 넘어, FCEV 보급 및 신뢰도 확보를 위해 국가적 차원에서 엄격하게 관리해야 할 핵심 과제입니다.

2. 초고압 환경에 따른 부품의 기계적 열화 및 수소 취성 문제

수소차는 수소를 700bar 이상의 초고압 상태로 저장하고 공급해야 하므로, 수소 탱크, 밸브, 배관 등의 고압 부품들은 높은 기밀 유지 성능과 기계적 강성을 요구합니다. 특히, 잦은 충전-방전 사이클과 진동 노출은 부품의 내부 피로 누적을 가속화합니다.

금속 재질 부품에서는 수소 원자의 침투로 인해 재질이 약화되는 '수소 취성(Hydrogen Embrittlement)'이 발생할 위험이 상존하며, 이는 미세 균열을 야기하여 고압 수소의 누설 위험을 높이는 치명적인 결함으로 이어질 수 있습니다.

주요 초고압 시스템 취약 부품

• 레귤레이터(감압 밸브): 700bar를 연료전지 스택의 작동 압력(약 3~10bar)까지 낮추는 핵심 역할을 하며, 구조적 복잡성 때문에 가장 잦은 고장 사례가 보고됩니다.
• 고압 밸브 및 피팅: 높은 압력과 빈번한 작동에 의해 씰(Seal) 부분의 기밀 유지 실패나 미세 균열이 발생하기 쉽습니다.

FCEV 내구성 확보를 위한 핵심 과제와 전망

종합적으로, 수소차 고장은 주로 스택의 화학적·기계적 열화 및 수분/온도 제어 시스템 오작동, 외부 수소 품질 문제에서 비롯됩니다. FCEV의 성공적 대중화를 위해 10년/16만km 내구성 목표 달성이 필수적입니다.

이를 위한 주요 확보 과제는 다음과 같습니다:

• 운전 조건 기반 실시간 스택 상태 모니터링
• 불순물 내성 강화 신규 촉매 및 막 소재 개발
• 전국 단위의 수소 충전소 품질 관리 체계 확립

운전자들이 궁금해하는 FCEV 관련 FAQ

Q: 수소차 '스택'의 내구성은 어떻게 관리되며, 주요 고장 원인은 무엇인가요?

A: 수소 연료전지 스택은 보통 10년 또는 16만 km의 보증 수명을 목표로 설계됩니다. 실제 내구성은 전기를 생성하는 멤브레인(전해질막)의 관리 상태에 가장 크게 좌우됩니다. 주요 고장 원인은 멤브레인의 반복적인 건조 및 과습으로 인한 미세 손상(Cracking)과, 시동 및 정지 시 발생하는 급격한 열 변화(Thermal Cycling)로 인한 내부 스트레스 축적입니다. 제조사들은 정밀한 수분 및 열 관리 시스템으로 이러한 고장을 최소화하고 있습니다.

Q: '불량 수소'가 고장의 주원인이 될 수 있나요? 있다면 어떤 불순물이 가장 치명적인가요?

A: 네, 수소 품질은 FCEV 스택 고장의 중요한 원인 중 하나입니다. 국제 표준(ISO 14687)을 초과하는 불순물은 스택 내 백금 촉매를 피독(Poisoning)시켜 활성도를 떨어뜨리고 출력 저하를 유발합니다.

가장 치명적인 불순물은 일산화탄소(CO)이며, 미량의 황 화합물(예: \text{H}_2\text{S}) 역시 멤브레인을 영구적으로 손상시킬 수 있습니다.

수소 충전소 운영 시 품질 검사는 필수적이며, 차량은 내부 필터로 불순물을 걸러내지만, 고농도 노출은 스택에 치명적인 손상을 야기합니다.

Q: 연료전지 스택 외에 수소차에서 고장이 자주 발생하는 핵심 시스템은 무엇인가요?

A: 배터리 전기차(BEV)와 달리 FCEV는 수소와 공기를 공급하고 열을 관리하는 BOS(Balance of Plant) 구성 요소가 복잡합니다. 따라서 스택 이외의 주변 장치에서 문제가 집중되곤 합니다.

• 공기 압축기(Air Compressor): 연료전지에 고압의 산소를 공급하는 핵심 부품으로, 고장 시 차량 출력에 즉각적인 영향을 줍니다.
• 수소 공급 밸브 및 인젝터: 초고압 수소(700 bar)를 정밀하게 제어하며, 미세 누출이나 작동 오류가 정비의 주요 대상이 됩니다.
• 냉각 및 수분 관리 장치: 스택의 최적 온도를 유지하고 생성된 물을 배출하는 복잡한 시스템으로, FCEV의 복잡성을 더하는 부분입니다.