연료전지의 무궁무진함

연료전지의 무궁무진함

 

  정부 정책, 환경오염, 기후변화 등 복합적인 문제에 따라 신재생에너지는 현재 ‘붐업’상태이다. 신재생에너지란, 신에너지와 재생에너지를 아우르는 말로 태양광, 태양열, 풍력, 수력(소수력), 해양에너지, 지열, 수열, 폐기물에너지, 바이오에너지, 석탄가스화·액화, 수소에너지, 연료전지 총 12개의 분야를 포함하고 있다. 태양열, 태양광, 풍력, 지열에너지는 세계태양에너지엑스포를 비롯한 여러 엑스포에서 쉽게 접할 수 있었던 반면 연료전지, 수소에너지 등 신에너지는 재생에너지에 비해 산업시장이 크지 않기 때문에 생소하게 느껴지기도 한다. 그렇다면 연료전지는 신재생에너지에서 어떤 역할을 담당하는지, 왜 신재생에너지로 분류했는지, 연료전지의 미래는 어떤 모습일지 하나씩 파헤쳐보자.

 

 

※ 신에너지에 속하게 된 연료전지

 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」에서는 화석연료 변환·이용을 통해 효율개선 및 CO2 절감하는 것을 신에너지의 특성으로 지정하며 분류하고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술로써 신에너지의 특성에 부합하며 신에너지에 속하게 되었다.

  1839년, 영국의 물리학자 그로브의 연료전지를 시초로 보고 있다. 그로브는 수소와 산소의 반응을 발견하고 이 반응으로 실제 전지를 만들어 보았다고 한다. 이 연료전지는 100년 넘게 주목을 받지 못하던 중 1965년, 미국의 로켓 제미니 5호에 적재되어 전력과 음료수를 공급하면서부터 각광받기 시작했다.

  1970~1980년대부터 산업화로 인한 환경문제가 대두되면서 연료전지 개발은 발전용, 건물용, 가정용, 차량용 등으로 더욱 다양한 분야로 활성화되었다. 오늘 날의 연료전지는 연료와 반응온도, 발전효율 등에 따라 종류가 다양하다.

구분	알카리 (AFC)	인산형 (PAFC)	용융탄산염형 (MCFC)	고체산화물형 (SOFC)	고분자전해질형 (PEMFC)	직접매탄올 (DMFC)
전해질	알카리	인산염	탄산염	세라믹	이온교환막	이온교환막
용도	우주발사체전원	중형건물 (200㎾)	중·대형건물 (100㎾~㎿)	소·중·대용량발전 (1㎾~㎿)	가정·상업용 (1~10㎾)	소형이동 (1㎾ 이하)

[표1. 연료전지의 다양한 종류]

출처: 한국기후·환경네트워크

 

  이중 가장 기본 원리가 되는 수소-산소 연료전지의 구조는 아래 그림과 같다.

[그림 1. 연료전지의 구조]

출처: 네이버 지식백과

  (-)극, (+)극 모두 탄소 혹은 금속 전극을 사용하며 전극의 표면적을 증대시키기 위해 다공질(多孔質)로 이루어져 있다. 전해질로는 수산화칼륨(KOH)용액이 사용되고 있으며, 좌측에 수소 가스는 1~10기압으로 보내진다. 수소가 스며드는 쪽이 (-)극, 즉 산화극이며, 산소가 스며드는 쪽이 (+)극으로 환원극이다. 수소와 산소의 산화환원 반응식은 아래와 같다.

[그림 2. 수소-산소 산화환원 반응식]

출처: 네이버 지식백과

 

 

※ 수소의 생산

  연료전지에 공급된 수소는 위에서 얘기한 것처럼 연소시키는 것이 아닌, 수용액에서 전자를 교환하는 산화·환원 반응이 진행되며, 그 과정에서 수소와 산소가 물로 바뀌는 것이다. 그렇다면 공급해야 할 수소는 어떻게 얻는 것일까?

  연료전지의 연료가 되는 수소는 다양한 방법을 통해서 얻을 수 있다. 수소의 생산도 생산방법에 따라 친환경 수소(Green)인지, 아닌지(Brown)를 가리게 되었다. 수소를 얻는 첫 번째 방법은 열분해이다. 아이슬란드는 엄청난 지열에너지를 보유하고 있어 자연의 물이 고온 열분해를 통해 수소가 생산된다. 친환경수소(Green hydrogen)라는 명칭에 걸맞다. 두 번째로는 신재생에너지를 이용하여 수소를 만드는 방법이다. 신재생에너지란 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 이들을 통해 수소를 만든다. 이 방법은 무한정 에너지 자원이라는 큰 장점을 갖고 있다. 마지막은 개질(改質, Reforming), 일반적인 수소 생산법이다. 메탄 등 탄화수소기의 구조를 변화시켜 수소를 추출한다. 그러나 개질은 화석연료를 사용하기 때문에 친환경을 모토로 삼는 연료전지와는 부합하지 않다. 개질을 통해 생성된 수소는 비친환경수소(Brown hydrogen)이라 불린다.

  수소의 생산과 추출은 연료전지뿐만 아니라 수소에너지에서도 사용되기 때문에 미생물을 통한 수소생산 등, 수소 생산에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 그중 흥미로운 수소 생산법이 있었다.

[그림 3. 수소를 만드는 인공 나뭇잎]

출처: 구글 이미지 

  이 방법은 나뭇잎의 광합성을 모방해 개발한 기술로, 극한 환경에서도 물을 분해하고 수소를 효율적으로 생산한다고 했다. 물 위에 띄워만 놔도, 사막에서도 소량의 물이 인공 잎 바닥면에 접촉하는 것만으로 물 분해가 일어나며 태양광 흡수 기능을 극대화했다고 한다. 이와 같은 수소 생산의 효율성 향상과 개선된 접근성은 연료전지 개발에도 큰 힘을 실어줄 것이다.

  

 

※ 연료전지의 장단점

  지구온난화의 주범인 온실가스, 그중 이산화탄소의 배출여부가 가장 중요할 것이다. 연료전지는 연소과정이 없으며 최종생성물이 이산화탄소가 아닌 물이기 때문에 오염물질, 공해물질 배출이 거의 없는 청정 발전원이다. 또한 연료전지의 경우 부분부하 효율이 좋으며 전부하 효율은 내연기관에 비하여 낮다. 일반적인 내연기관은 4행정 사이클(흡입-압축-폭발-배기)을 이루어 소음과 진동이 발생되기 마련인데 연료전지는 화학에너지는 전기에너지로 바로 변환하기 때문에 소음과 진동이 적다. 마지막으로 연료전지는 화학반응을 바탕으로 하기 때문에 전기에너지뿐만 아니라 열에너지도 같이 발생된다. 발생한 열에너지는 열역학 제2법칙에 의해 밖으로 방출되며 열손실로 이어진다. 자동차 동력원으로써 연료전지는 연소과정이 있는 내연기관과 다르게 열 발생이 상대적으로 적기 때문에 열손실도 상대적으로 적을 것이다.

  그러나 누구나 단점은 있는 법, 연료전지도 빠질 수 없다. 연료전지는 활성화 에너지를 낮춰 화학반응이 쉽게 일어날 수 있도록 촉매를 사용하는 경우가 대부분이다. PEMFC전지의 경우 백금 촉매를 사용하는데, 백금은 고가의 촉매제이기 때문에 연료전지의 가격이 상승하게 된다. 모든 연료전지가 고가인 것은 아니다. 저렴한 니켈을 촉매로 사용하는 SOFC 고온형 연료전지는 가격이 저렴하다. 두 번째로 연료전지마다 작동온도가 다르다. PEMFC전지의 경우 작동온도가 30℃~100℃인데, 한국의 겨울철에는 전지의 작동성능이 현저히 떨어질 수 있다. 그렇기 때문에 작동온도를 만들어주도록 예열을 하는데 예열을 위해 연료전지로 생산한 전기의 일부를 부하로 사용하게 된다. 이는 연료전지의 효율을 감소시키는 원인이 되기도 한다. 또한 연료전지의 연료인 수소는 폭발성이 있기 때문에 보관할 때 특히 유의해야 한다. 뿐만 아니라 수소를 사용도 고압 수소를 사용하기 때문에 고압상태의 수소를 안전하게 저장, 보관할 기술과 장비가 필요한데, 이는 연료전지의 가격상승을 유발한다. 효율이 좋은 연료전지이지만 화석연료 동력원과 비교했을 때 단위질량당 출력, 단위체적당 출력이 낮다. 따라서 연료전지의 출력에 비해 무게가 무겁고 넓은 설치 공간도 필요로 한다.

 

 

※ 연료전지의 종류

연료전지는 작동온도와 전해질, 촉매에 따라 크게 5가지로 분류할 수 있다. 저온형에는 PEMFC(고분자 전해질 연료전지), PAFC(인산형 연료전지), AFC(알칼리형 연료전지)가 있으며, 고온형에는 MCFC(용융 탄산염 연료전지), SOFC(고체 산화물 연료전지)가 있다. 열기관과 마찬가지로 연료전지 역시 고온에서 효율이 높다. 따라서 저온형은 주로 자동차, 우주산업 등 연료전지를 이동하면서 사용하는 경우에 쓰이며(이동식), 고온형은 고출력으로 전기를 생산하는 플랜트 등의 산업현장에서 사용된다(고정식).

[표 2. 연료전지의 종류]

출처: 「신재생에너지 원별 기술동향 제3편 제2장 제2절 연료전지」

 

  PEMFC(고분자 전해질 연료전지)는 일반적으로 사용되는 액체 전해질이 아닌 고분자 막을 전해질로 사용한다. 플라스틱 랩과 비슷한 이 막은 전하를 운반하는 운반체 역할을 한다. 연료전지의 단점에서 다루었듯이, 저온에서 작동하여 자동차 산업에서 크게 주목받고 있지만 예열과정이 필요한 겨울철에는 효율 감소를 야기한다. 그럼에도 불구하고 이동식 연료전지로써 최고라는 평가가 있다.

  PAFC(인산형 연료전지)는 고농도의 인산을 전해질로 사용하며 200℃의 작동온도 덕분에 생기는 배열을 이용하여 급탕이나 냉난방 등에 이용이 가능하다.

  AFC(알칼리형 연료전지)는 수산화칼륨을 전해질로 사용하는데, 수산화칼륨은 연료의 이산화탄소와 반응하여 전해질이 열화된다.

  MCFC(용융 탄산염 연료전지)는 용융 탄산염을 전해질로 쓰는데, 고온에서 작동하기 때문에 원래 고체였던 탄산염이 액체로 용융되어 탄산이온이 이동하여 작동되는 것이다.

  SOFC(고체 산화물 연료전지)는 지르코니아계의 얇은 세라믹 막을 전해질로 사용한다. 고온형 연료전지는 고발전 효율이며 다양한 연료를 사용할 수 있기에 고정형 시스템 분야에 사용된다.

 

※ 연료전지의 종류 별 응용

  연료전지의 종류에 따라 응용하는 법도 다르다. 크게는 정치형에 속하는 발전용, 주택·건물용 연료전지와 수송용에 속하는 차량용, 선박용 연료전지, 마지막으로 휴대용 연료전지로 나눌 수 있다.

[표 3. 연료전지의 응용] 

출처: 「신재생에너지 원별 기술동향 제3편 제2장 제2절 연료전지」

 

  국내외 판매중인 발전용 연료전지로는 MCFC, PAFC, SOFC를 사용하고 있다. 분산발전이란 전력을 소비처에서 생산하고 발전하는 방식으로 NIMBY 현상과 송전 손실 현상을 막을 수 있다. 분산발전에 사용되는 소형 터빈, 디젤 발전기, 가스 터빈 등 기술 중에서도 연료전지는 높은 효율을 자랑하기 때문에 분산발전에 보다 적합하다.

  주택·건물용 연료전지는 도시가스나 LPG를 이용해 전기와 열에너지를 생산하는 열병합 발전이다. PEMFC와 SOFC가 주로 사용된다.

  수송용 연료전지는 전기로 모터를 돌려 차량을 구동시킨다. 이미 많은 국가에서 정책으로 연료전지 자동차, 버스에 대해 지원하며 확산을 위해 노력하고 있으며 우리나라는 현대자동차가 토요타, 혼다 등 연료전지에 빠르게 투입한 기업들을 맹추격하고 있다.

 

 

※ 국내 연료전지 개발 과제 및 계획

  연료전지는 경제성 확보를 통한 시스템 가격 저감과, Grid parity 도달을 위한 발전단가 저감이 주요 과제라고 한다. 연료전지 시장에서의 설치가격은 최소 200만원/㎾ 수준으로 낮아져야 하지만, MCFC, PAFC 모두 약 400만원/㎾에서 머물고 있다.

  정부는 7차 전력수급계획(15년 8월)에서 발전용 연료전지의 보급을 2020년까지 641㎿, 29년까지 약 1,351㎿를 보급할 계획이다. 수송용 연료전지의 경우 2020년까지 연료전지차 0천대, 수소충전소 80기, 2025년까지 연료전지차 10만대, 수소충전소 210기 보급을 목표로 하고 있다. 이와 더불어 현대자동차는 2013년부터 연료전지 자동차 생산규모를 연간 10,000대 이상으로 계획하고 있다.

 

 

※ 연료전지 산업의 전망

  세계 연료전지 시장은 가격하락과 국가 정책 지원 강화로 지속적으로 성장세를 이어가고 있다. 2015년 기준 세계 연료전지 시장 규모는 약 36억 달러였지만 2024년에는 255억 달러로 규모가 확대할 것이라 예상했다. 뿐만 아니라 2015년 세계 연료전지 시스템 판매는 전년대비 약 12% 증가했으며 그 중 고정형 연료전지 시스템이 가장 큰 비중을 차지했다.

[표 4. 연료전지의 활동유형 및 지역에 따른 발전량]

출처: 「[K-브리프 2017년 제 17호] 주요국의 신재생에너지 현황(F)」

 

  지난달 26일 중국 허베이성 탕산시에서 세계 첫 상용형 수소연료 하이브리드 100% 저상 노면 전차를 운행했다. 수년간의 노력으로 연료전지/슈퍼콘덴서 하이브리드의 견인과 컨트롤 등의 핵심기술들을 연구하는 데에 성공했다.

[사진 1. 중국의 세계 최초 수소연료전차]

  출처: 가스신문

 

  전차는 1회의 수소보급을 15분 만에 완성하며 연속주행거리 40km를 최고 70km/h로 지속적으로 주행할 수 있다. 뿐만 아니라 도착 시 연료전지와 제어에너지회수시스템에 의해 슈퍼전기용량으로 배터리를 충전하여 에너지 회수율이 30%이상에 달하기도 한다.

  세계최소 수소연료전차는 수송용 연료전지 시장의 한 획을 그었다. 중국의 수소연료전차를 시작으로 우리 정부도 이제는 추격전의 모습을 버리고 연료전지 계획 추진에 관한 구체적인 방안을 세우며 실천해야 할 것이다. 연료전지의 시장은 여타 신재생에너지들과 같이 빠르고 지속적인 성장을 이어갈 것이며, 그 응용분야는 더욱 다양화되며 구체화 될 것이다. 연료전지의 첫 번째 무궁무진함은 언제 어디서나 얻을 수 있는 무한한 자원 수소와 공기를 뜻한다면, 두 번째 무궁무진함은 연료전지의 응용일 것이다. 발전부터 주택·건물까지, 수송수단부터 휴대용까지. 어쩌면 현재 점점 많이 보이는 태양광 패널과 같이, 미래에는 연료전지가 신재생에너지의 판도를 잡을 날이 오지 않을까? 지금 당장의 효율성과 가격경쟁력이 뒤처지더라도 끊임없이 연구하는 이들 덕분에 지금의 과학기술이 생겼을 것이라 믿어 의심치 않는다. 연료전지의 상용화가 성공적으로 이루어지길, 또한 그 과정에 함께 부단히 애쓰는 내가 있길 바란다.

 

 

 

 

[출처]

 

1. 한국기후·환경네트워크 블로그(http://blog.naver.com/greenstartkr/221060216646)

2. 연료전지-네이버 지식백과(http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=945218&cid=47337&categoryId=47337)

3. 신에너지의 특성-네이버 지식인(http://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=6&dirId=61401&docId=48212248&qb=7Iug7JeQ64SI7KeAIOq4sOykgA==&enc=utf8&section=kin&rank=1&search_sort=0&spq=0)

4. 페로브스카이트(http://dongascience.donga.com/news/view/20421)

5. 연료전지 종류(http://jindo1234to.blog.me/220920227745)

6. 인공나뭇잎 수소생산(http://jindo1234to.blog.me/220918721234)

7. 세계 첫 연료전차(http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=80351, http://www.kidd.co.kr/news/197651)

8. 연료전지 장단점(http://jindo1234to.blog.me/220918721234)

9. 「[K-브리프 2017년 제 17호] 주요국의 신재생에너지 현황(F)」

10. 「신재생에너지 원별 기술동향 제3편 제2장 제2절 연료전지」