수소 연료 전지 의 종류

차세대 에너지원 연료전지

여름의 폭염이 한풀꺽였다지만, 여전히 오후만 되면 덥기만 합니다.

기상청과 기상과학 지정 울산과학기술원 폭염연구센터의 보고서에 따르면, 올 여름 한반도를 포함한 동아시아의 기온은 평년보다 높을 확율리 50% 이상으로 나타났었다고 합니다. 

이러한 폭염의 주원인으로 온실가스 누적으로 인한 지구온난화 입니다. 오래전부터 세계 여러 나라에서 탄소 부산물을 내지 않는 온실가스 제로 발전 방식에 주목했던 것도 이러한 이유 때문이었죠.

온실가스의 오랜 누적 악순환을 끊기 위해 전 세계가 주목하고 있는 것 중 하나는 연료전지인데요. 미래 에너지원으로 떠오르고 있는 연료전란 무엇이며 연료전지의 종류까지 알아 보겠습니다.

 

 

 

연료전지의 정의

연료전지는 연료의 산화에 의해 생기는 화락에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치로 물의 전기분해 역반응으로 수소와산소를 제공하고 전기와 열을 얻는 원리를 기본 원리로 한다.

연료전지는 연료(LNG, LPG및 메탄올 등)및 공기의 화학 에너지를 전기, 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키므로 기존의 발전기술(연료의 연소 -> 증기발생 -> 터빈구동 -> 발전기 구동)과는 달리 연소과정이나 구동장치가 없어 열효율이 높을 뿐만 아니라 환경문제(대기오염, 진도, 소음 등)를 유발하지 않는다는 장점을 가진다.

연료전지의 종류별 특성

• 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)
• 직접 메탄올 연료전지(DMFC)
• 직접 에탄올 연료전지(DEFC)
• 알칼리형 연료전지(AFC)
• 200℃에서 작동하는 인산형 연료전지(PAFC)
• 650℃에서 작동하는 '용융탄산염형 연료전지(MCFC)'
• 1,000℃에서 작동 하는 '고체 산화물형 연료전지(SOFC)'

 

1) 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하다. 또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다.

이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양하다.

PEMFC에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1kW급 PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였다. 이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.

대기 오염의 주 원인인 내연기관 차량을 대체할 수 있는 무공해 자동차로는 원래 배터리를 동력원으로 하는 전기자동차가 각광을 받고 있었다. 그러나 배터리를 전기자동차 동력원으로 사용할 경우 충전 시 많은 시간을 요구하고, 에너지 밀도가 낮아 주행가능 거리가 짧으며 배터리의 수명이 짧은 문제점이 있다. 또한 전기자동차가 상용화된다면 많은 전기 충전소의 설치가 필요하며 여기서 사용되는 전기는 대규모 발전소에서 공급되므로 결국 오염원의 이동에 불과하다고 볼 수 있다.

따라서 전기자동차 동력원으로서의 배터리에 대한 단점을 보완하기 위하여, 연료전지 구동방식 또는 배터리와 연료전지를 동시에 사용하는 혼합형(hybrid) 자동차를 구성하는 방법이 최근에 각광받고 있다.

우리나라에서는 1990년대부터 대학을 중심으로 단위 전지에 대한 기초연구를 시작하였으며, KIST 연료전지연구센타에서도 1996년부터 고분자전해질 연료전지 원천기술 개발을 시작한 후 2000년 5kW 급 스택을 제작하여 연료전지/배터리 하이브리드 골프카트에 적용한 바 있다.

 

PEMFC 연료전지

손원일급 잠수함이 독일 지멘스가 개발한 120 kw 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 2개와 배터리를 혼합한 하이브리드 방식의 추진체계를 탑재했다.

- 전해질 : 고체 고분자 중합체(Membrane)
- 수송이온 : 수소이온
- 촉매 : 백금
- 특징 : 저온인 70~80℃에서 동작이 가능하며 높은 전류밀도 유지 가능



2) 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)

직접메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 음극과 양극이 위치한다. 음극에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극 쪽으로 이동하고, 양극에서는 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성시킨다. 이 때 전자가 외부 회로를 통과하면서 전류를 발생시키는 것이 작동원리이다.

실제 사용시에는 출력을 높이기 위해 이러한 단위전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 양극판(Bipolar plate)을 사용하지만 마이크로 연료전지에서는 단극판(Monopolar plate)을 사용한다. DMFC는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 똑같은 구성요소를 사용하지만, 메탄올을 개질하여 수소로 만들 필요가 없이 직접 연료로 사용할 수 있기 때문에 소형화가 가능하다.

DMFC는 PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고 2차전지에 비해 높은 출력밀도를 갖기 때문에 자동차의 동력원으로서 2차전지를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.

 

DMFC 연료전지

 

- 전해질 : 수소이온 교환막
- 수송이온 : 수소이온
- 특징 : 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 똑같은 구성요소를 사용하지만 메탄올을 연료로 직접 사용할 수 있기 때문에 소형화가 가능하다. 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 PEMFC에 비해 출럭밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고 높은 출력밀도를 갖기 때문에 배터리를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.

 

3) 직접 에탄올 연료전지(DEFC, Direct Ethanol Fuel Cell)

 

직접에탄올 연료전지(DEFC)는 직접메탄올 연료전지와 메커니즘은 같으나, 연료는 에탄올을 사용하며, 출력 전압은 0.5 ~ 45 V 가량의 연료 전지이다.

2007년 5월 미국에서 20 ~ 45 V의 전압을 내는 직접에탄올 연료전지를 개발하였다.

 

4) 알칼리형 연료전지(AFC, Alkali Fuel Cell)

알칼리성 연료 전지는 개발된 최초의 연료 전지 기술 중 하나이며 원래 NASA에 의해 우주선을 타고 전기와 물을 생산하기 위한 우주 프로그램에 사용되었다. AFC는 프로그램 내내 제한된 수의 상업용 응용 프로그램과 함께 NASA 우주왕복선에 계속 사용되었다.

AFC는 물에 수산화칼륨과 같은 알칼리성 전해질을 사용하며 일반적으로 순수한 수소로 연료를 공급받는다. 최초의 AFC는 섭씨 100℃에서 250℃에서 운영되었지만, 현재 일반적인 운영 온도는 섭씨 70℃ 정도이다. 낮은 작동 온도로 인해 시스템에 백금 촉매를 사용할 필요가 없으며 대신 양극과 음극에서 발생하는 반응 속도를 높이기 위한 촉매로 다양한 비귀중금속을 사용할 수 있다. 니켈은 AFC 유닛에서 가장 일반적으로 사용되는 촉매이다.

화학 반응이 일어나는 속도 때문에 이러한 셀은 전기 변환 효율에 상대적으로 높은 연료를 제공하며, 일부 용도에서는 60%까지 높다.

 

AFC 연료전지

 

- 전해질 : 수산화칼륨
- 수송이온 : 수산화이온
- 특징 : 이산화탄소에 민감하므로 이산화탄소의 경제적인 제거는 알칼리 연료전지의 상업화에 가장 중요한 요소이다.

 

 

5)인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)

 

인산 연료 전지(PAFCs)는 탄소 위에 정교하게 분산된 백금 촉매로 만들어진 양극과 음극, 인산 전해질을 고정하는 실리콘 카바이드 구조로 구성되어 있다. 다른 연료전지 타입에 비해 효율이 낮은 경향이 있지만, 약 180°C의 중간 고온에서 작동하며 이 프로세스 열을 열병합 발생에 사용할 경우 전체 효율이 80%를 넘을 수 있다.

이 유형의 연료 전지는 100kW~400kW 범위의 출력을 가진 정지 발전기에 사용되어 전세계의 많은 상업용 건물에 전력을 공급하고 있으며, 버스와 같은 대형 차량에도 적용되고 있다. 2001년 이전에 판매된 대부분의 연료전지 장치는 PAFC 기술을 사용했다.

 

사진출처:한국에너지공단 그린홈

 

- 전해질 : 인산(Phosphoric Acid)

- 수송이온 : 수소이온(H+)

- 촉매 : 백금이나 백금 혼합물

- 반응온도 : 섭씨 200℃

 

 

6)용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)

 

제 2 세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 열효율과 환경친화성이 높고 모듈화가 특성되었으며 설치공간이 작다는 장점을 갖는다.

또, 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점들을 갖고 있다.

고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제적인 생산이 가능해진다. 그리고 백금 전극을 이용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저도, 니켈 전극을 이용할 경우 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용할 수 있게 된다.

따라서 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 이용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료를 MCFC에는 이용할 수 있다.

그리고 HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 bottoming cycle로 양질의 고온 폐열을 회수 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 약 60% 이상으로 제고시킬 수 있다.

또한, MCFC의 높은 작동 온도는 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응이 동시에 진행될 수 있게 하는 내부개질 형태를 허용한다. 이러한 내부개질형 MCFC는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 MCFC보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하며, 시스템 구성이 간단해진다.


그러나 MCFC는 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 아직 끝나지 않았다.

그래서 미국, 일본 등을 비롯한 선진외국에서는 기초연구는 물론 시스템 데모에 이르는 개발연구에까지 적극적으로 투자하여 최근 급속도로 많은 발전이 이루어지고 있다. 국내에서도 한전 전력연구원을 중심으로 KIST, 한국중공업 및 여러 대학이 참여하여 용융탄산염 연료전지의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 및 선도기술(G7) 사업의 하나로 진행하고 있다.

 

MCFC 연료전지

 

 

- 전해질 : 탄산염

- 수송이온 : 탄산이온

- 반응온도 : 650℃

특징 : 일산화탄소를 분리하는 공정을 필요로 하는 다른 연료전지보다 초기 투자비가 낮고 시스템의 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점이다.

 

 

 

7)고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)

 

3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다.

SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 - 1000 ℃)에서 작동한다.

모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다.

고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점들 덕분에 SOFC에 관한 연구는 21세기 초에 상업화하는 것을 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.
일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 

공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다.

 

SOFC 연료전지

 

 

- 전해질 : 세라믹 산화물

- 수송이온 : 산소이온

- 특징 : 운전온도가 약 1,000℃로서 매우 높으며 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매없이 연료가 개질된다. 다만, 그 온도에서 금속 재료의 적당한 열적, 기계적 강도를 요구하므로 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로점이다.

 

 

연료전 시장 및 전망

연료전지는 친환경 에너지로써, 해외시장에서도 가파른 성장세를 보이고 있습니다.
미국 시장조사업체인 ‘내비건트 리서치’에 따르면, 글로벌 연료전지 시장 규모는 2015년 17억 7440만 달러(약 2조 1621억 원)에서 2019년엔 103억 3200만 달러(약 12조 5895억 원) 수준까지 성장할 것이라고 밝혔습니다.

국내시장 역시 정부 지원과 정책이 집중되면서 연료전지 산업이 새로운 전환기를 맞이하고 있습니다. 관련 예산이 빠르게 증가하면서 2019년 수소연료전지 관련 예산은 약 2000억 원으로 전년 대비 5배 가까이 증액됐습니다.

정부가 2019년 1월 '수소경제 활성화 로드맵'을 발표한 이후, 연료전지 산업은 수소전기차와 함께 수소경제 정책의 핵심으로 부상하고 있는데요, 현재까지는 대형 발전용 연료전지 시장이 주로 상용화되어 있지만, 자동차·물류 등 수송용 연료전지 상용화 노력도 점차 가속화될 전망이라고 합니다.

이산화탄소·질소산화물 등의 배출이 전혀 없는 친환경적인 연료전지는 환경오염에 직면한 우리의 삶에 이상적인 에너지원이 아닐까 싶은데요, 지속적인 개발과 투자를 통해 값싸고 효율적인 차세대 에너지원으로 자리 잡기를 기대해 보겠습니다.