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| + | 한국과 [[사우디아라비아]]의 합작 회사는 600억 원을 투자해 오는 2024년까지 연간 50MW 용량의 고체산화물 연료전지 제품 생산 공장을 경상북도 [[포항]] 블루밸리산업단지에 건설하기로 했다.<ref>심우영 기자, 〈[https://www.mbn.co.kr/news/society/4499144 포항에 대규모 수소연료전지 공장 건설…연간 50MW 생산]〉, 《엠비엔》, 2021-05-11</ref> 또한 수소 1위 선언한 [[현대중공업그룹]]이 2022년 연료전지 발전을 개시할 것이라고 수소연료전지 발전 사업 진출을 구체화했다.<ref>우경희 기자, 〈[https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2021051009262147415 '수소 1위' 선언한 현대重그룹, 2022년 연료전지 발전 개시]〉, 《머니투데이》, 2021-05-10</ref> | ||
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| − | 연료전지는 | + | 연료전지는 [[연료]]와 [[산화제]]를 전기화학적으로 반응시켜 [[전기에너지]]를 발생시키는 장치이다. 보통의 전지는 전지 내에 미리 채워놓은 화학물질에서 나오는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하지만 연료전지는 지속적으로 연료와 산소의 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 공급한다. |
| − | 연료전지는 영국의 판사이자 과학자였던 그로브 경(Sr. William Robert Grove, 1811 –1896)이 처음 만들었다. 그로브는 아연(Zn)을 묽은 황산(H₂SO₄)에, 백금을 고농도의 질산(HNO₃)에 넣어 전극으로 사용하고 전지를 만들었다. 이렇게 전기 에너지로 전환된 화학 에너지는 다음과 같은 화학반응에서 나왔다. | + | 연료전지는 영국의 판사이자 과학자였던 [[윌리엄 그로브]] 경(Sr. William Robert Grove, 1811 –1896)이 처음 만들었다. 그로브는 아연(Zn)을 묽은 황산(H₂SO₄)에, 백금을 고농도의 질산(HNO₃)에 넣어 전극으로 사용하고 전지를 만들었다. 이렇게 전기 에너지로 전환된 화학 에너지는 다음과 같은 화학반응에서 나왔다. |
'''Zn₂ + H₂SO₄ + 2HNO₃→ ZnSO₄+ 2H₂O + 2NO₂↑ ''' | '''Zn₂ + H₂SO₄ + 2HNO₃→ ZnSO₄+ 2H₂O + 2NO₂↑ ''' | ||
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최근 유가하락으로 인해 도시가스 가격까지 덩달아 하락하는 추세이고, 가정에서 가스레인지 대신 전기레인지를 사용하는 등 도시가스 사용량이 급감하여 남는 가스를 이용한 연료전지에 대한 연구 역시 활발하다. 특히 수소라는 물질이 가지는 특성 상 보관이 용이하지 않으므로 도시가스를 개질하여 연료전지의 연료로 사용하는 방식이 주를 이루고 있다. 연료전지에 도시가스가 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식. 이는 상술한 바와 같이 도시가스의 가격 하락에 힘입은 바가 크다. | 최근 유가하락으로 인해 도시가스 가격까지 덩달아 하락하는 추세이고, 가정에서 가스레인지 대신 전기레인지를 사용하는 등 도시가스 사용량이 급감하여 남는 가스를 이용한 연료전지에 대한 연구 역시 활발하다. 특히 수소라는 물질이 가지는 특성 상 보관이 용이하지 않으므로 도시가스를 개질하여 연료전지의 연료로 사용하는 방식이 주를 이루고 있다. 연료전지에 도시가스가 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식. 이는 상술한 바와 같이 도시가스의 가격 하락에 힘입은 바가 크다. | ||
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반드시 따로 생산해야만 하는 수소와는 달리 천연가스나 석유 등을 그대로 연료전지에 넣고 돌리기 위한 연구는 많이 하고 있으나, 후술할 이유 때문에 기술적 난이도가 높다는 문제가 있다. | 반드시 따로 생산해야만 하는 수소와는 달리 천연가스나 석유 등을 그대로 연료전지에 넣고 돌리기 위한 연구는 많이 하고 있으나, 후술할 이유 때문에 기술적 난이도가 높다는 문제가 있다. | ||
* 탄화수소를 연료전지의 연료로 사용할 경우, 반응되지 못한 탄소가 연료전지 전극을 오염시킨다. | * 탄화수소를 연료전지의 연료로 사용할 경우, 반응되지 못한 탄소가 연료전지 전극을 오염시킨다. | ||
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== 재래식 잠수함의 연료전지 AIP 시스템 == | == 재래식 잠수함의 연료전지 AIP 시스템 == | ||
산소와 수소만 공급해주면 외부의 공기를 끌어들일 필요 없이 계속 전력을 생산해 낼 수 있다는 장점 덕분에 가장 빠르게 적용된 사례는 바로 재래식 잠수함이다. 연료전지를 사용한 AIP 시스템은 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 산소와 수소만 공급되면 지속적으로 발전이 가능하므로 디젤 엔진 가동을 위해서 위험하게 수면 위로 접근하여 스노클을 올리거나 시끄러운 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 수중에서 작전을 실시하는 것이 가능하다. 또한 기존 축전지와는 비교할 수 없는 용량이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 기존 축전지에 비해서는 덜한 편이므로 여러모로 잠수함엔 제격. 이러한 연료전지 AIP를 채용한 대표적인 사례 중 하나로 대한민국 해군의 손원일급 잠수함과 장보고-3를 들 수 있다. | 산소와 수소만 공급해주면 외부의 공기를 끌어들일 필요 없이 계속 전력을 생산해 낼 수 있다는 장점 덕분에 가장 빠르게 적용된 사례는 바로 재래식 잠수함이다. 연료전지를 사용한 AIP 시스템은 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 산소와 수소만 공급되면 지속적으로 발전이 가능하므로 디젤 엔진 가동을 위해서 위험하게 수면 위로 접근하여 스노클을 올리거나 시끄러운 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 수중에서 작전을 실시하는 것이 가능하다. 또한 기존 축전지와는 비교할 수 없는 용량이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 기존 축전지에 비해서는 덜한 편이므로 여러모로 잠수함엔 제격. 이러한 연료전지 AIP를 채용한 대표적인 사례 중 하나로 대한민국 해군의 손원일급 잠수함과 장보고-3를 들 수 있다. | ||
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2021년 5월 12일 (수) 00:25 기준 최신판
연료전지(fuel cell)는 연료를 사용하여 전기를 만들어 내는 장치이다. 건전지와 같이 한 번 쓰고 버리는 1차전지, 리튬이온 배터리와 같이 충전 방전을 반복하여 쓰는 2차전지와 달리, 연료전지는 연료를 주입하여 지속해서 사용할 수 있으므로 3차전지로 분류된다. 산화전극에서는 연료의 산화가 일어나고, 환원전극에서는 산소의 환원이 일어나는데, 전체 반응을 통해 방출되는 에너지가 전기의 형태로 외부에서 활용된다. 발전 효율이 높고 친환경적이기 때문에 미래의 에너지원으로 주목받고 있다. 가장 기본적인 형태의 연료전지는 수소를 연료로 사용하는 수소연료전지이다.
한국과 사우디아라비아의 합작 회사는 600억 원을 투자해 오는 2024년까지 연간 50MW 용량의 고체산화물 연료전지 제품 생산 공장을 경상북도 포항 블루밸리산업단지에 건설하기로 했다.[1] 또한 수소 1위 선언한 현대중공업그룹이 2022년 연료전지 발전을 개시할 것이라고 수소연료전지 발전 사업 진출을 구체화했다.[2]
목차
개요[편집]
연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 보통의 전지는 전지 내에 미리 채워놓은 화학물질에서 나오는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하지만 연료전지는 지속적으로 연료와 산소의 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 공급한다.
연료전지는 영국의 판사이자 과학자였던 윌리엄 그로브 경(Sr. William Robert Grove, 1811 –1896)이 처음 만들었다. 그로브는 아연(Zn)을 묽은 황산(H₂SO₄)에, 백금을 고농도의 질산(HNO₃)에 넣어 전극으로 사용하고 전지를 만들었다. 이렇게 전기 에너지로 전환된 화학 에너지는 다음과 같은 화학반응에서 나왔다.
Zn₂ + H₂SO₄ + 2HNO₃→ ZnSO₄+ 2H₂O + 2NO₂↑
그로브의 전지는 이전에 만든 구리-아연으로 된 전지에 비해 더 높은 전압을 만들어 냈지만 값이 비싼 백금의 사용과 인체에 유해한 질산가스(HNO₃)를 발생 시키는 단점이 있었다. 이러한 단점을 개선하는 전지들이 연이어 나왔지만 연료전지가 상용화되는 데는 100여 년이 걸렸다.
최초로 상용화된 연료전지는 미국의 항공우주국 (NASA)에서 위성과 우주선의 발전기로 사용하면서부터 였다. 그 후 연료전지는 건물의 비상 발전기에 사용되거나 외딴 지역의 건물용 발전기에 사용이 된다. 또한 연료전지로 구동이 되는 잠수함, 배, 버스, 자동차 등도 만들어지고 있다.
여러 종류의 연료전지가 있지만 그 핵심 구성요소는 모두 아노드(anode), 캐소드(cathode), 전해질(electrolyte)이다. [그림 1]과 같이 아노드에서는 산화작용이 일어나면서 (+) 전기를 띄는 수소이온과 전자를 방출한다.
H₂→ 2H⁺ + 2e⁻
여기서 발생한 전자가 외부의 도선을 통해 아노드에서 캐소드로 이동하면서 직류 전류가 발생한다. 그리고 전해질은 (+) 전기를 띄는 수소이온 (양이온)이 연료전지의 두 극 사이에 이동이 가능하게 하는 역할을 한다. 캐소드에서는 이동해온 수소 이온과 도선을 통해 이동한 전자, 외부에서 공급된 공기 중의 산소와 결합하여 수증기를 만들어 배출한다.
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
1개의 연료전지는 전기 퍼텐셜이 0.7V에 불과해서 충분한 전력을 만들어내기 위해 여러 개를 직렬 연결하여 쌓아서 만든다. 전기 에너지 이외에도 연료전지는 물과 열을 발생시킨다. 간혹 연료전지의 종류에 따라서 이산화질소와 같은 다른 화학 배출물을 조금 발생시키기도 한다. 연료전지의 에너지효율은 통상 40~60%이지만 배출된 열을 사용할 수 있다면 효율이 85%까지 가능하다.
연료전지는 효율이 높고, 용량 조절이 가능하며, 다양한 연료를 사용할 수 있고, 배출 물질이 친환경 물질에 가깝고, 계속해서 충전이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 배출된 수소의 저장이나 운반의 문제, 촉매의 성능 저하가 있을 수 있고, 연료로 순수 물질이 사용되지 않을 경우 전해질이 독성을 가질 수 있다는 단점이 있다.
종류[편집]
연료전지 종류 발전온도 전해질 주연료 기술수준 적용대상 고분자 전해질형 상온~100°C 이온 전도성 고분자 막 수소, 메탄올 개발 및 실증단계 소형전원 자동차 인산형(PAFC) 150~200°C 인산 수소 상용화 단계 분산전원 용융탄산염(MCFC) 600~700°C 용융탄산염 천연가스, 수소 개발단계 복합발전, 열병합발전 고체산화물(SOFC) 700~1,000°C 고체산화물 천연가스, 수소 개발단계 복합발전, 열병합발전 알칼리형(AFC) 상온~100°C KOH 수소 현재 우주산업[5]에서 주로 사용 특수목적
2차전지와의 차이[편집]
연료전지와 배터리(2차전지)는 큰 차이가 있는데, 배터리가 전기를 저장하는 장치라면 연료전지는 전기를 만들어내는 발전기와 같은 장치이다. 따라서 배터리는 그 자체만 가지고 있으면 전력원으로서 사용 가능하지만, 연료전지는 수소나 산소 같은 연료를 내부에 넣어 반응시켜야 전력원으로서 사용 가능하다. 또한 충전시간이 꽤 오래 걸린다는 한계가 있는 배터리와는 달리, 연료전지는 그냥 열기관과 같이 연료만 채워넣으면 되므로 충전시간이 비교적 빠르다. 또 시간의 경과에 따라 발생되는 자연방전 문제를 심히 고민해야 하는 배터리와는 달리, 연료전지는 분자 크기가 작아 용기 표면으로 누출되는 양을 무시할 수 없는 수소를 제외하면 자연방전 문제에 있어서 자유롭다. 이에 더해서 연료전지는 기후조건이나 기상상황의 영향도 배터리에 비해서는 상대적으로 덜 받는 편이다.
실용화의 역사[편집]
결론부터 말하자면 특수 목적인 군사 분야에서는 발전이 현저하고 그 외의 분야에서는 지지부진하다. 교통 분야에의 적용도 시도되고 있으나 성과는 아직 미미하다.
최초의 실용적인 연료전지는 아폴로 계획 당시 식수와 전기를 동시에 해결하기 위해 사용되었다.
미국이나 일본의 일부 지역을 중심으로 하여 일반 가정에서의 실용화를 목표로 하고 있다. 다만 1960년대에 본격적인 개발이 시작된 것 치고는 아직도 넘어야 할 문제점들이 많다는 것이 문제. 가장 큰 문제점으로는 수명 문제가 있다. 연료전지의 경쟁자인 보일러의 수명이 10년 이상인데 반해 연료전지의 경우 현재 시판되고 있는 제품의 수명은 길어야 5년 정도. 또한 연료전지의 종류에 따라 다르지만 예열이 필요한 경우도 있다. 특히 건물용/발전용으로 쓰이는 대형 연료전지가 그러한데 길게는 1일 이상의 예열을 거친 후에야 제대로 전력을 생산해낼 수 있다.
국내에도 연료전지 실용화는 진행중이다. 실제로 삼성전자 등에서 노트북 용 연료전지를 2006년 개발하여 뉴스로도 나오기도 했다. 현재는 삼성전자가 연료전지 사업에서 전면 손을 뗀 바람에 시판되고 있지 않다. 2012년에는 지식경제부 주관으로 90억 정도의 사업 비용을 들어 연료전지 타운을 만들겠다는 기사가 나오기도 했다. 2010년대 이후로는 자동차 업체인 현대자동차그룹이 연료전지 사업에 적극적으로 임하고 있는 중이다.
2013년 울산 지역 석유화학 공장에서 나오는 부생수소를 이용한 수소타운을 설립하였다. 회사 소유 사택과 그외 건물에 설치하여 약 160kW급의 수소타운이 형성되었는데 이는 세계 최대 규모의 실증 시설이다. 국책 연구 과제로 진행되며 각 가정마다 1kW급 연료전지가 설치되어있고, 건물에 5kW, 10kW급 연료전지가 설치되어 전력과 온수를 공급하고 있다.
2010년대의 시점에서는 휴대용 전자기기 등에 동력원으로 사용하려는 시도는 실용성 문제와 가성비 문제로 인해 현저히 사그라들었고, 그 대신 주로 군사 분야나 자동차·철도로 대표되는 교통 분야와 주거 분야에서 전력원으로 사용하는 추세이다. 재래식 잠수함의 AIP 시스템, 수소자동차의 일종인 수소연료전지차의 동력원, 전동차의 동력원 등이 오늘날 연료전지가 주로 쓰이고 있는 활용 분야이다. 이러한 분야에서는 연료전지의 이점이 극대화되기에 연료전지의 활용이 기술적으로 비교적 용이해진다.
특히, 주거 분야에서의 연료전지의 이점은 도시가스를 공급받아 연료전지의 연료로 사용할 수 있어 설치 비용이 비싼 수소 공급 라인을 설치하지 않아도 된다는 점이다. PEMFC를 적용한 시스템의 경우 개질기 모듈이 장착된 연료전지가 시판되고 있으며, 사우나, 피트니스 등 난방/온수와 전기를 모두 필요로 하는 곳에 주로 설치되고 있다.
인체 내의 포도당을 이용한 연료전지 또한 시제품이 나와 개발 중이다. 현재 면섬유 기반 생체연료전지가 0.5v의 전압을 낼 수 있다. 개발이 진행된다면 페이스메이커 등의 반영구적 동력원으로 사용될 수 있을 것으로 전망된다.
시스템 구성도[편집]
개질기(Reformer)[편집]
- 화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로 부터 수소를 발생시키는 장치
- 시스템에 악영향을 주는 황(10ppb이하), 일산화탄소(10ppm이하) 제어 및 시스템 효율향상을 위한 compact가 핵심기술
스택(Stack)[편집]
- 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체
- 단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한 분리판 설계·제작 등이 핵심기술
전력변환기(Inverter)[편집]
- 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치
주변보조기기(BOP: Balance of Plant)[편집]
- 연료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미비함[3]
각 연료전지 발전 현황[편집]
- 알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell) : 1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발. 순 수소 및 순 산소를 사용.
- 인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell) : 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용. 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음.
- 용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell) : 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용. 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중(250㎾ 상용화, 2MW 실증)
- 고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) : 1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지, 대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용. 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음.
- 고분자전해질형(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane) : 1990년대에 기술개발된 4세대 연료전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용. 가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음.
- 직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell) : 1990년대 말부터 기술개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용. 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임.[3]
연료[편집]
현재의 연료전지는 에너지 전환율 뿐만 아니라 연료 수급에 있어서도 문제가 있다. 대표적으로 수소는 현재의 기술 수준에서는 석유류를 크래킹해서 뽑아낸다. 물에서 뽑아낼 수도 있지만, 지금의 기술로는 수소를 뽑아내서 연료전지에 쓰는 거 보다 석유를 화력발전에 돌리는 게 아직 더 싸게 먹힌다고 한다.
수소는 밀폐된 공간에서 고농도의 산소와 반응, 즉 폭발하는 농도 범위가 크기 때문에 위험한 것이지, 실사용 환경에서는 LPG나 도시가스보다 안전하다. 잘 알려지지 않아서 그렇지 LPG 차량과 수소연료전지 차량을 세워놓고 연료탱크를 실탄으로 사격하는 실험도 한 적이 있는데 LPG 차량은 그대로 폭발한 반면 연료전지 차량의 경우 내부의 가스만 모두 분출되었다는 실험 결과도 있다고 하나, 가스통 문서를 보면 알 수 있듯이 일반 총알로는 가스통이 폭발하지 않으니 이는 믿기 힘든 얘기다. 또한, 분자량이 공기보다 커서 바닥으로 가라앉는 LPG와는 달리 가장 가벼운 분자인 수소의 특성 상 누출이 되더라도 순식간에 빠져나가 버린다는 점도 안전성에 플러스 요인이다(가장 널리 쓰이는 도시 가스는 공기보다 가볍다.). 실제 피해를 끼치기 위해서는 폭발하기 위한 최소 농도(4%)까지 쌓여야 하는데, 이마저도 쉽지 않다는 이야기다.
수소보다는 생산비가 좀 더 싸게 먹히는 메탄올 등의 각종 수소화합물들을 수소 대신 연료전지의 연료로 사용하는 것이 보다 실용적이라 여겨져 그쪽으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 연료전지에 수소화합물이 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식이다. 심지어는 석유의 주성분이 탄화수소라는 점을 이용해서, 심지어 수소나 메탄올 같은 것들 대신 그냥 석유를 연료로 쓰는 연료전지도 구상된 바 있는 모양. 셰일에서 추출하는 천연가스나 석유(Shale gas/oil)를 사용하는 연료전지도 대학교/대기업에서 활발히 연구되고 있다. 사실 수소 얻는건 물을 전기분해하는 게 제일 간단하고 쉽다는 것 뿐이지 투입되는 에너지량 대비 얻는 에너지가 너무 적다. 즉, 가성비가 낮다. 때문에 보통은 천연가스나 도시가스를 개질해 수소를 얻는 방법이 상용 제품에 적용되어있다.
한편 한국의 연료전지 관련 기업들의 경우, 2016년 시점에서는 대부분 수소화합물을 이용하는 연료전지를 개발하는 쪽으로 연구를 진행하고 있다. 특히 시스템 3사로 유명한 이들은 PAFC(Phorspourusic acid fuel cell, 인산염 연료전지), MCFC(Molten carbon fuel cell, 용융 탄산염 연료전지), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체 산화물 연료전지) 등 고온에서 작동하는 연료전지 시스템의 실용화를 위한 연구를 진행 중이다.
전해질로서 산소이온을 전달하는 세라믹 멤브레인을 사용하는 연료전지를 SOFC라고 한다. 작동온도가 700도~1000도 가량으로 상당히 고온이라는 점이 있지만 스택에서 발생하는 열을 Hot-box 등에 이용해 실제 시스템 외부 온도는 40~50도 수준이다. 또한 여기서 배출되는 열에너지를 회수하여 보일러에 이용한다든지, 혹은 또 다른 스팀발전기 등을 연동하여 추가적인 에너지를 생산 가능하므로 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다는 장점을 지닌다.
최근 유가하락으로 인해 도시가스 가격까지 덩달아 하락하는 추세이고, 가정에서 가스레인지 대신 전기레인지를 사용하는 등 도시가스 사용량이 급감하여 남는 가스를 이용한 연료전지에 대한 연구 역시 활발하다. 특히 수소라는 물질이 가지는 특성 상 보관이 용이하지 않으므로 도시가스를 개질하여 연료전지의 연료로 사용하는 방식이 주를 이루고 있다. 연료전지에 도시가스가 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식. 이는 상술한 바와 같이 도시가스의 가격 하락에 힘입은 바가 크다.
수소 이외의 연료 사용이 어려운 이유[편집]
반드시 따로 생산해야만 하는 수소와는 달리 천연가스나 석유 등을 그대로 연료전지에 넣고 돌리기 위한 연구는 많이 하고 있으나, 후술할 이유 때문에 기술적 난이도가 높다는 문제가 있다.
- 탄화수소를 연료전지의 연료로 사용할 경우, 반응되지 못한 탄소가 연료전지 전극을 오염시킨다.
- 완전 연소되지 못한 탄소에서 생기는 일산화탄소의 부식성이 강해 전극을 부식시킨다.
- 따로 생산, 정제하는 수소와 달리, 천연가스 등을 바로 집어 넣을 것을 전제로 하기 때문에 황화물 등의 불순물이 연료에 들어간다.
- 효율성 있는 온도가 더 높다.
이 때문에 수소를 대체할 연료로서는 주로 메탄올 등의 알코올 계열 수소화합물이 쓰이고 있으나, 이 역시 수소를 연료로 사용하는 경우에 비해서 기계적 구조가 복잡해지기 쉽다는 문제를 지니고 있다. 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급한다는 구조상, 수소를 그냥 연료로 쓰는 것에 비해서 구조적으로 복잡해지기 쉽다. 그러나 위와 같은 문제의 상당수는 고온연료전지에서는 해결되는 문제들이다. 예를들어, 600도 이상에서 작동하는 MCFC와 SOFC같은 경우 일산화탄소에 의해 전극이 피독되는 일은 없으며, 메탄(CH4)도 연료로서 사용할 수 있으며, 불순물이 상당부분 섞여있는 수소를 사용해도 문제가 되지 않는다. 상술한 문제점들은 수소차에 쓰이는 PEMFC에 해당되는 사항들로, 100도 이하의 저온에서 작동하기 때문에 순도가 높은 수소를 사용해야되고 일산화탄소 피독에 매우 취약하며, 촉매로서 백금을 사용해야된다. (MCFC나 SOFC는 촉매로 니켈이 사용되어 시스템에서 촉매가 차지하는 비중이 비교가 안되게 낮다.
전기차 응용[편집]
현재 수소연료전지를 이용한 수소차가 시중에 판매가 되고 있다. 그림과 같이 외부에서 수소를 공급받고 주변 공기를 빨아들여 전기를 만든다. 수소연료전지 자동차는 수소와 산소가 만나 물이 생성될 뿐이므로 유해한 배기가스가 전혀 나오지 않는다. 또한 수소연료전지의 작동을 위해 공기 중 산소를 사용해야 하므로 차가 달리는 동안 주변 공기를 빨아들여 정화한 후 수소연료전지에 사용하고 다시 배기구로 깨끗한 공기를 내보내게 된다. 따라서 공기정화기로써의 기능도 수행할 수 있다. 물론 공기 중 질소가 산소와 반응해 일부 이산화질소로 변환되므로 완전한 무공해는 아니지만 기존의 화석연료를 사용하는 자동차에 비해 배출량이 대단히 적다. 한편, 친환경 자동차로 부르기에는 추가적인 기술 개발이 더 필요하다. 액화된 수소를 연료로 저장하더라도 부피가 커서 자동차 한 대에 저장해서 사용할 수 있는 연료의 양이 적어 1회 주유 당 주행거리가 작다. 또한 수소 생산과정에서 이산화탄소를 대량으로 배출하므로 결코 친환경이라 할 수 없다. 수소를 생산할 수 있는 방법 자체는 많이 있지만 친환경 방법이라 할 수 있는 전기분해는 경제성이 낮아서 아직까지는 대량생산과 경제성을 확보하기 위해서는 화석연료를 가공한 방법이 최선이다. 따라서 대체연료를 쓰는 의미가 없어져 버리기 때문에 경제성이 높고 친환경적인 수소 생산 방법 연구가 필요하다.
2018년 현대자동차에서는 수소 연료 전지를 탑재한 수소전기차 넥쏘를 개발하여 시판하였다. 2019년에는 두산이 만든 '수소드론' 등 큰 주목을 받았다. 수소연료전지차는 세계 최초로 국내에서 개발되었으며, 현대자동차그룹이 이 분야에 적극적으로 투자하고 있다. 2020년 시점에서는 현대자동차의 현대 넥쏘와 토요타의 토요타 미라이가 수소연료전지차의 대표적 실용화 사례로 여겨지고 있다.
장단점[편집]
수소연료전지차를 비롯한 연료전지식 전기자동차는 기존의 내연기관 차량들은 물론 배터리(2차전지)를 주 동력원으로 하는 배터리식 전기자동차와도 경쟁해야 한다는 문제를 안고 있기는 하다. 연료전지식 전기자동차는 한 발 먼저 실용화되고 있는 배터리식 전기자동차에 비해서 좀 더 긴 항속거리와 가동시간을 확보할 수 있고 더불어 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 좀 덜 수 있으며 기후 조건이나 기상 상황의 영향도 상대적으로 덜 받는다는 이점이 있으며, 한편으로는 배터리식 전기자동차와 마찬가지로 충전 인프라의 문제가 보급의 걸림돌이 되고 있기도 하다. 그냥 전기만 공급해주면 되는 배터리식 전기자동차와는 달리 기존의 내연기관 차량들에 기름 넣어주듯 연료를 넣어줘야 되어서 그 연료를 생산하기 위한 연료 생산 인프라를 따로 마련해야 한다는 부담이 있는 점도 여기에 한 몫 하는 듯 하다. 배터리식 전기자동차가 이미 실용화 단계에 접어든 것과는 달리 연료전지식 전기자동차는 아직 실용화 단계에는 이르지 못하고 있는 것도 이런 여러 문제들 때문인 듯 싶다.
덧붙여 배터리식 전기자동차와 연료전지식 전기자동차는 각각 일장일단이 있는데, 배터리식 전기자동차는 말 그대로 충전 스탠드에 차량의 배터리를 연결해서 휴대폰 배터리 충전하듯 충전시키기만 하면 되므로 충전절차가 비교적 간단하지만 그 대신 배터리의 한계로 인해서 충전시간이 좀 오래 걸리는 데다가 시간의 경과에 따른 자연방전 문제를 심히 고민해야 되는 편이며 기후조건이나 기상상황의 영향도 은근히 받는 편이다. 한편 연료전지식 전기자동차는 연료전지의 특성 덕분에 충전시간이 오래 걸리지 않아서 빠르게 충전을 할 수 있으며, 더불어 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 덜한 편이고 기후 조건이나 기상상황의 영향도 상대적으로 덜 받는 편이긴 하지만 그 대신 기존의 내연기관 차량들의 연료탱크에 기름을 넣듯이 연료전지에 연료를 넣어주는 작업을 해야 하므로 충전 절차 그 자체는 배터리식 전기자동차에 비해서 살짝 복잡한 편이라 할 수 있다.
상기 내용에 무시되는 부분 중에 하나는 연료전지에 수소를 충전하는 작업이 살짝 복잡한 수준이 아니라는 점이다. 이론적으로 차량 1대에 수소를 충전하는 과정은 5분 정도 소요되므로 기존 내연기관과 큰 차이가 없는 것이 맞다. 그러나 한번 차량 충전이 완료된 수소 충전기는 다음 차량을 충전하기 위하여 내부의 압력을 다시 높여주는 과정이 필요하다. 이 과정이 대략 20~30분 정도 걸리기 때문에, 내가 충전소에 도달한 이후 충전기가 비어 있지 않고 앞에 충전 차량이 있으면 최대 35분 가량 기다려야 내 차량에 충전을 시작할 수가 있다. 괜히 안성 휴게소 등에 수소 충전소 앞에 길게 수소차가 줄서 있는 것이 아니다. 우리나라에 수소차가 그렇게 많이 보급되었다고 생각되는가? 안전상의 이유로 충전 중에 승객은 차량에서 내려서 기다려야 한다는 단점도 있다.
연료전지식 전기자동차의 실용화에 있어서 큰 이슈가 되고 있는 부분은 아직 비용 문제와 안전 문제가 남아 있는 수소를 연료로 쓰는 수소연료전지를 채용할 것인가, 아니면 비용 문제와 안전 문제를 해결하기 위해서 수소 이외의 다른 연료를 사용하는 연료전지를 채용할 것인가에 대한 문제이다. 현재 가장 많이 알려진 수소연료전지의 경우에는 이미 오래 전부터 개발되어 오던 것이니만큼 기술적으로는 어느 정도 성숙되어 있으나 연료가 되는 수소를 생산하고 저장하는 것이 매우 복잡하고 위험한지라 자동차에 사용하기에는 여러모로 문제가 많다. 한편 메탄올을 사용하는 메탄올 연료전지 같은 경우라면 이런 문제에 상관없이 연료만 넣어주면 되기에 자동차에 사용하기에는 수소연료전지보다 안전하고 실용성이 높지만 수소연료전지에 비해서 개발된 지가 얼마 안 된 편이기 때문에 자동차에 쓰기에는 아직 많은 시간이 필요하다.
메탄올은 카본 찌꺼기나 산소와 반응하여 폼알데히드를 생성할 수 있는 문제점도 존재한다.
또한 현재 연료전지식 전기자동차가 직면한 가장 큰 문제는 연료전지 시스템 자체의 가격이기도 하다. 백금을 사용하는 촉매 등 가격을 올리는 요소가 너무 많기 때문에 보급 시도에 큰 걸림돌이 되고 있다고 한다. 촉매 이외에도 산도가 높은 환경인 연료전지 내부(수소가 분해되어 수소 이온이 된다.)에서 분리판의 부식을 막기 위해서 내식성이 강한 금과 같은 금속을 도금해야 된다. 그래서 현재의 연료전지 시스템은 가격적으로 너무 비싸기 때문에, 촉매의 소재를 값비싼 백금 대신 다른 소재로 바꾸는 등 연료전지에서 가격 상승의 요인이 되는 부분들을 없애기 위한 연구가 진행되고 있는 중이다. 특히 촉매의 소재가 관건인데, 백금을 대신할 촉매의 소재로서 그래핀이 유력하게 거론되고 있는 모양이다. 또한 이렇게 신소재를 사용한 촉매가 개발되고 있는 것 외에도, 현재 사용되고 있는 기존의 촉매에서 백금 사용량을 줄여 촉매의 효율성을 높이고 가격을 낮추기 위한 연구도 별도로 진행되고 있다.
연료전지 전동차[편집]
알스톰이 Coradia iLint라는 연료전지 기반 전동차를 개발했다. 스펙상으로는 최고속도 140km에 1회 연료 충전에 600~800km의 거리를 갈 수 있다고 한다. 서울과 부산에 각각 충전소가 마련되어 있다고 가정한다면 경부선 왕복도 전혀 무리없는 스펙인 셈이다. 니더작센 쪽 노선에 투입될 14대가 만들어진다는 소식도 들려왔으니 연료전지 자동차와는 달리 실용화도 이미 어느 정도 성공했다. 현재까지는 전동동차뿐이나 연료전지 기관차가 개발된다면 전철화 율이 매우 낮고 화물 비중은 높은 미국 등지에서 쓸만할 것으로 예측된다.
재래식 잠수함의 연료전지 AIP 시스템[편집]
산소와 수소만 공급해주면 외부의 공기를 끌어들일 필요 없이 계속 전력을 생산해 낼 수 있다는 장점 덕분에 가장 빠르게 적용된 사례는 바로 재래식 잠수함이다. 연료전지를 사용한 AIP 시스템은 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 산소와 수소만 공급되면 지속적으로 발전이 가능하므로 디젤 엔진 가동을 위해서 위험하게 수면 위로 접근하여 스노클을 올리거나 시끄러운 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 수중에서 작전을 실시하는 것이 가능하다. 또한 기존 축전지와는 비교할 수 없는 용량이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 기존 축전지에 비해서는 덜한 편이므로 여러모로 잠수함엔 제격. 이러한 연료전지 AIP를 채용한 대표적인 사례 중 하나로 대한민국 해군의 손원일급 잠수함과 장보고-3를 들 수 있다.
각주[편집]
- ↑ 심우영 기자, 〈포항에 대규모 수소연료전지 공장 건설…연간 50MW 생산〉, 《엠비엔》, 2021-05-11
- ↑ 우경희 기자, 〈'수소 1위' 선언한 현대重그룹, 2022년 연료전지 발전 개시〉, 《머니투데이》, 2021-05-10
- ↑ 3.0 3.1 〈연료전지〉, 《한국에너지공단》,
참고자료[편집]
- 〈연료전지〉, 《물리학백과》
- 〈연료 전지〉, 《화학백과》
- 〈연료전지〉, 《위키백과》
- 〈연료전지〉, 《나무위키》
- 연료전지 시장(연구개발특구진흥재단) - file:///C:/Users/sms/Downloads/232.%20%EC%97%B0%EB%A3%8C%EC%A0%84%EC%A7%80%20%EC%8B%9C%EC%9E%A5.pdf
- 연료전지〉, 《한국에너지공단
- 심우영 기자, 〈포항에 대규모 수소연료전지 공장 건설…연간 50MW 생산〉, 《엠비엔》, 2021-05-11
- 우경희 기자, 〈'수소 1위' 선언한 현대重그룹, 2022년 연료전지 발전 개시〉, 《머니투데이》, 2021-05-10
같이 보기[편집]
