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연료전지
연료전지(fuel cell)는 연료를 사용하여 전기를 만들어 내는 장치이다. 건전지와 같이 한 번 쓰고 버리는 1차 전지, 리튬이온 배터리와 같이 충전 방전을 반복하여 쓰는 2차전지와 달리 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.
목차
개요
연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키어 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 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.
종류
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
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
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
개질기(Reformer)
- 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)
- 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)
- 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치
주변보조기기(BOP: Balance of Plant)
- 연료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미비함[1]
각 연료전지 발전 현황
- 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.[1]
수소 이외의 연료 사용이 어려운 이유
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.
참고자료
같이 보기
