수소연료전지

수소연료전지(HFC; Hydrogen Fuel Cell , 水素燃料電池)는 연료전지의 가장 기본적인 형태로 수소를 연료로 이용해 전기에너지를 생성하는 발전 장치를 말한다. 일반 화학전지와 달리 공해물질을 내뿜지 않기 때문에 친환경 에너지에 속하며, 소음이 없다는 장점을 갖고 있다.

개요

수소연료전지는 수소에너지 경제에서 대체에너지의 불안정한 공급 문제를 경제적으로 조절하고 보완할 수 있는 에너지 기술이다. 수소를 연료로 하여 전기에너지로 전환하는 기술로써 물의 전기분해반응의 역반응을 이용해 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어내는 전기화학기술이다.

물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생 되는데, 연료전지는 이러한 전기분해의 역반응을 이용한 장치다. 석유·가스 등에서 추출된 수소를 연료로 공급해 공기 중의 산소와 반응시켜 전기와 열을 생산한다.

일반 화학전지와 달리 연료와 공기가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있다. 수소연료전지는 화석연료를 이용하는 터빈발전방식에 비해 에너지 효율이 높으며(26%) 소음이 없고 온실가스 발생이 적은(40%) 친환경 에너지원이다.

수송·발전·가정·휴대용 등 다양한 분야에서 응용이 가능한 신에너지이다.

수소연료전지는 전해질에 따라 PEMFC(고분자전해질형), PAFC(인산형), MCFC(용융탄산염형), SOFC(고체산화물형) 등으로 구분되며, 발전용으로는 PAFC, MCFC, SOFC를 사용한다.

역사

연료전지는 1839년 영국의 윌리엄 그로브 경이 실행한 전지 실험으로부터 시작했다. 그 후 1990년대부터 본격적인 실험이 진행되었다.

2000년 후반 일본의 경우 1990년 기준 온실효과 가스 배출량을 약 6% 정도를 줄였어야 했는데, 이를 달성하기 위해 새로운 기술이 필요했다. 이렇게 만들어진 새로운 기술은 '수소연료전지 기술'이다.

원리

수소연료전지 원리

수소 연료전지의 기본 구성은 양극, 음극, 전해질이 접합된 셀이며 다수의 셀을 쌓아 스택을 만들어 원하는 전압과 전류를 얻는다. 연료인 수소를 음극에 공급하면 수소는 수소이온(H⁺)과 전자(e-)로 산화된다. 그리고 양극에서는 산소(O₂)와 전해질을 통해 이동한 수소이온(H⁺)과 전자(e-)가 결합하여 물(H₂O)을 생성시키는 환원반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를발생시키는 원리이다.

• 산화전극에서 연료인 수소의 산화 반응이 일어난다.

2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻ (산성 조건)

2H₂ + 4OH- → 4H₂O⁺ 4e⁻ (염기성 조건)

• 환원전극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다.

O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O (산성 조건)

O₂ + 2H₂O + 4e- → 4OH⁻ (염기성 조건)

산성 조건에서 수소 이온이 이동할 수 있는 고분자 막을 전해질로 사용하는 경우를 고분자 전해질 연료 전지라고 하며, 30-40% 농도의 수산화 포타슘(KOH) 용액을 전해질로 사용하는 경우를 알칼리 연료 전지라고 부른다.

특징

• 높은 발전 효율

열역학적으로 화석연료는 전기에너지를 얻기까지 운동에너지 및 위치에너지 손실과 마찰손실이 발생하여 효율이 낮다. 그러나 연료전지의 전기발전 효율은 열손실과 부품손실을 고려하여도 기존 화석연료보다 효율이 높다. 연료전지는 연료의 연소과정과열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 과정이 없기 때문이다. 일반적인 가솔린, 가스 엔진의 경우 출력 규모가 작으면 발전 효율이 감소하지만, 연료전지의 경우 출력 크기와 관계없이 일정한 효율을 가지는 것 또한 이점이다.

• 설치의 용이성

건설기간이 기존 화석연료보다 현저히 짧고 환경에 해로운 가스를 발생시키지 않기 때문에 도심 지역에서도 발전시설 건설이 가능하다. 따라서 전력의 요구조건에 따라 산간지역, 섬지역 등 기존 화석연료 단지가 들어서기 어려운 조건에서도 독립적인 설치 및 운전을 할 수 있다. 더불어 다른 발전에 비해 소요 면적이 적은 이유도 존재한다.

• 전기와 열의 동시 생산

타 발전에서의 반응 과정에서 발생하는 열에너지는 에너지 손실을 크게 한다. 그러나 연료전지는 발생하는 열을 유효하게 이용하는 것이 가능하다. 이를 Cogeneration 시스템이라고 한다. 가정용 연료전지의 경우 투입한 도시가스 에너지의 40%가 전기, 40%가 증기에너지로 발현되는 뛰어난 장치 역할을 하게 된다.

• 친환경성

연료전지는 SOx와 NOx 등의 환경에 유해한 가스 발생이 거의 없다. 또한 이산화탄소의 발생량도 기존 내연기관보다 월등히 낮다. 연료전지 반응은 물의 전기분해 반응의 역반응이므로 전체 반응에서 결과물은 물을 발생시키므로 무공해 친환경적인 특징을 가지는 기술이다.

• 기타

이외에도 연료전지는 소음공해가 적고 순수 수소이외에 다른 발전 방식으로 수소를 생산할 수 있기 때문에 연료의 제한이 적은 특징이 있다. 다시 말해 연료전지는 높은 발전효율과 친환경성을 동시에 잡으면서도 비교적 제약 없이 건설 및 이용을 할 수 있다는 어마어마한 장점을 지닌다.

종류

연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지 (PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지 (AFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 구분된다. 이들은 작동온도에 따라 다시 고 온형과 저온형으로 구분되며, 650°C 이상의 고온에서 작동하는 고온형 연료전지인 MCFC와 SOFC는, 백금을 전극으로 사용하는 저온형 연료전지와는 달리, 전극촉매로 니 켈을 비롯한 일반 금속촉매를 쓸 수 있는 장점이 있다. 고온형은 발전효율이 높고 고출력 이이지만 시동 시간이 오래결려 발전소나 대형건물 등에 적합하다. 저온형인 PAFC와 PEMFC, DMFC는 200°C 이하에서 상온에 이르기까지 저온에서도 구동될 수 있으며, 시 동시간이 짧고 부하변동성이 뛰어난 특징이 있으나, 고가 의 백금 전극이 필요하다.

활용

현대자동차 수소전기차 넥쏘

수소 연료 전지는 1960년대 아폴로 우주선에서 최초로 활용되었다. 수소 연료 전지는 수소와 산소가 반응하여 물이 생성되기 때문에 다른 메탄올이나 개미산 등의 산화전극에서 수소 이외의 다른 연료를 사용하는 연료 전지에 비해 가장 친환경적임에도 불구하고 수소의 저장에 따르는 문제 때문에 폭 넓은 상용화가 제한되어 왔다. 최근 수소 저장에 따르는 안정성 문제를 해결하는 기술이 확보됨에 따라 수소 연료 전지를 자동차의 동력원으로 하는 수소 자동차가 상용화되고 있다. 일반적으로 수소는 천연 가스의 수증기 개질 반응으로 대량 생산하고 있는데, 수소 저장 문제와 함께 경제적인 수소의 생산 문제가 해결된다면 수소 연료 전지는 앞으로 친환경 에너지원으로서 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2018년 현대자동차에서는 수소 연료 전지를 탑재한 수소전기차 넥쏘를 개발하여 시판하였다. 2019년에는 두산이 만든 '수소드론' 등 큰 주목을 받았다.

소비시장 분석

국내 수소연료전지 소비시장은 증가하는 추세다. IBK투자증권의 발표로는, 국내 2040년 발전용 연료전지는 15GW(48배), 가정용은 2.1GW(300배) 보급이 목표임을 나타내었다. 2019년 1월 발표된 한국 정부의 수소 경제 활성화 로드맵에 따르면 발전용 연료전지는 2018년 307.6MW(41개소)가 보급되었으며 중소형 LNG 발전과 대등한 수준으로 발전단가를 하락시켜 중장기적으로 설치비 65%, 발전단가 50% 수준으로 하락을 목표. 중장기로는 2040년까지 15GW(내수 8GW)를 목표로 하고 있다고 밝혔다. 또한 가정용의 경우 2018년 7MW(3,167개소)가 보급되었고, 2022년과 2040년 보급목표는 각각 50MW와 2.1GW를 목표로 하고 있음을 확인할 수 있었다.

해외 수소연료전지 사업도 마찬가지로 활성화되고 있다. 일본 후지경제에 의하면 2030년 연료전지시장은 4조9,275억엔(약 50조원) 규모로 2017년 대비 28배 성장할 것으로 알려졌다. 더 구체적으로 지역별로는 한국, 중국, 일본 등 아시아 비중이 2018년 45%에서 2030년 58%로 절반 이상을 차지할 것으로 전망되었다.

한국 수소연료전지 발전소 현황

• 한국남동발전 수소연료전지 발전소
• 한국남부발전 수소연료전지 발전소
• 한국동서발전 수소연료전지 발전소
• 한국서부발전 수소연료전지 발전소
• 한국중부발전 수소연료전지 발전소
• 한국수력원자력 수소연료전지 발전소

참고자료

• 〈수소연료전지〉, 《위키백과》
• 〈수소 연료 전지〉, 《화학백과》
• 〈수소연료전지, 앞으로 어떻게 될까?〉, 《네이버 지식백과》
• 〈수소연료전지〉, 《사이트명》
• 강하은 기자, 〈수소연료전지 빛을 보는 이유 : 2020년 수소연료전지 사업 전망과 해결점〉, 《에너지설비관리》, 2020-06-02

같이 보기

• 화학전지

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